DE68926279T2

DE68926279T2 - Elektrooptisches mechanisches Kabel für faseroptische Nachrichtensysteme

Info

Publication number: DE68926279T2
Application number: DE68926279T
Authority: DE
Inventors: Timothy Carl Stamnitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-11-17
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2009-11-18
Also published as: US4952012A; EP0371660B1; DE68926279D1; HK161196A; EP0371660A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtleitfaser- Übertragungskabel für Umgebungen mit hoher Belastung und im besonderen für Unterwasseranwendungen, die eine große Anzahl von Lichtleitfasern, elektrischen Leitern und metallischer Drahtwiderstandselemente umfassen, die sich in einer einzigen Kabelkonstruktion befinden.

Allgemeiner Stand der Technik

Zu den den Stand der Technik entsprechenden Patenten, die dieses Gebiet betreffen, gehören unter anderem: (a) GB-A-2 010 528 (Underwater Cable, Erfinder Jackson) und (b) Wo-A-84/00820 (A Hermetically Sealed Tube Incorporating an Optical Fiber Surrounded by an Armored Cable, Erfinder R.E. Thompson, G. Gould und C. Soodak). In GB-A-2 010 528 wird ein "Unterwasserkabel" dargestellt, das Lichtleitfasern in einer elektrisch leitfähigen Röhre (2) umfaßt, um elektrische Leistung zwischen Verstärkern zu übertragen. Dabei wird nicht auf die Fähigkeit zur Übertragung rauscharmer Lichtphasendaten bezug genommen. In WO-A-84/00820 wird ein Verfahren zur Herstellung einer luftdicht verschlossenen Lichtleitfaserröhre beschrieben, die mindestens zwei zylindrische Metallteilstücke umfaßt, die um einen Kern aus einem bzw. aus einer Mehrzahl von Lichtleitfasern zusammengepaßt werden, wobei die beiden Metallteilstücke durch Walzen aus einem geglühten Draht vorgeformt werden. In diesem Bezugspatent erfolgt kein Hinweis auf die Erkenntnis, daß eine Lichtleitfaser in einer luftdicht verschlossenen Stahlröhre die Fähigkeit zur Übertragung rauscharmer Lichtphasendaten aufweist. Die Stahlröhre mit zwei zylindrischen Metallteilstücken aus Wo-A-84/00820 entspricht nicht einer kleinen, dünnwandigen Röhre mit einer longitudinalen Schweißnaht, und ferner wird für den Fachmann deutlich, daß das in WO-A-84/00820 beschriebene "Herstellungsverfahren" nicht für die Herstellung einer kleinen, dünnwandigen Röhre verwendet werden kann. Keine der Lehren in einem dieser beiden Bezugspatente legt dem Fachmann in irgendeiner Weise nahe, die Stahlröhre aus WO-A-84/00820 in dem Unterwasserkabel aus GB-A-2 010 528 zu inkorporieren. Zum Beispiel wird nicht deutlich, daß ein Fachmann die Stahlröhre aus WO-A-84/00820 in dem Kabel aus GB-A-2 010 528 inkorporieren würde, da eine derartige Handlung die Funktionalität des "Unterwasserkabels" aus GB-A-2 010 528 zerstören würde, wobei es unmöglich wäre, eine ausreichende Menge elektrischer Leistung an die Unterwasserverstärker zu übertragen, wobei es sich dabei um die Hauptaufgabe dieser Erfindung handelt. Ferner wird in beiden Bezugspatenten in keiner Weise vorgeschlagen, daß diese miteinander kombiniert werden könnten, um eine Übertragung rauscharmer Lichtphasendaten vorzusehen.
Unterschiede der Röhre aus Anspruch 1 zu der Stahlröhre aus WO- A-84/00820. Die luftdicht verschlossene Stahlröhre aus WO-A- 84/00820 entspricht nicht der dünnwandigen Röhre mit geringem Durchmesser aus Anspruch 1.
Die dem Stand der Technik entsprechenden Kabel sind hinsichtlich deren beabsichtigten Verwendungen bereits ausreichend funktionsfähig; d.h. bei dem Kabel aus WO-A- 84/00820 wird eine verhältnismäßig große, dickwandige Stahlröhre verwendet, um den Fertigungsbeanspruchungen des beschriebenen Verfahrens zu widerstehen, und um den 20.000 psi der radiometrischen Bohrlochvermessung zu widerstehen, während bei dem Kabel aus GB-A-2 010 528 eine sehr große, elektrisch leitfähige Röhre verwendet wird, um Unterwasserverstärkern elektrischen Strom zuzuführen. Es existiert keine praktische Motivation für die Verbindung der dem Stand der Technik entsprechenden Mittel für die Erzielung der neuen Funktion der "Übertragung rauscharmer Lichtphasendaten". Vor den Lehren der vorliegenden Erfindung gab es keine Aufzeichnungen bzw. Anzeichen, die einen Fachmann dazu brachten anzunehmen, daß eine derartige Kombination jemals in Betracht kommen würde.
Das dem Stand der Technik entsprechende Lichtleitfaser- Übertragungskabel umfaßt vier verschiedene generische bzw. allgemeine Konstruktionen bzw. Anordnungen der elektrischen, optischen und mechanischen Elemente für die Erzielung der entsprechenden erforderlichen Leistungsfunktionen. Bei dem ersten Versuch werden die Lichtleitfasern in einem System polymerer Schläuche bzw. Röhren positioniert, die um einen zentralen Widerstandskern verkabelt sind, oder in einem radialen System von Kammern in Form einer Spirale um ein zentrales Stahlwiderstandselement. Bei einem zweiten allgemeinen Versuch werden die Fasern in einer Polymermatrix eingekapselt, die in einem Verbundsystem eingeschlossen ist, das Stahlwiderstandsdrähte und einen dickwandigen, röhrenförmigen Kupferleiter mit verhältnismäßig großem Durchmesser umfaßt. Die Stahldrähte und der röhrenförmige Kupferleiter grenzen immer aneinander an und befinden sich immer in Kontakt. Bei dem dritten allgemeinen Versuch wird versucht, Lichtleitfasern durch die Bereitstellung eines festen Puffers in bestehende elektromechanische Kabelkonstruktionen einzubauen, d.h. eine zusätzliche Verstärkung und Ummantelung der einzelnen Fasern vorzusehen, so daß diese in gleicher Stellung wie isolierte elektrische Leiter bearbeitet und verarbeitet werden können. Dieses Verfahren ist als Hybridkonstruktionsversuch bekannt. Bei dem vierten und neuesten Versuch wird eine Kupferlegierungsröhre verwendet, die als Verbesserung einen wesentlich kleineren Durchmesser für die Einkapselung der Lichtleitfasern vorsieht; zusätzlich dazu wird ein Kunstfaser-Widerstandselement in einem äußersten ringförmigen Bereich des Kabelquerschnitts positioniert.
Die erste allgemeine Art der Kabelkonfiguration wird durch das U.S. Patent US-A-4.143.942 (Anderson, vom 13.3.79) und durch das U.S. Patent US-A-4.199.224 (Oestreich, vom 22.4.79) erläutert. In dem erstgenannten Patent wird eine Faser oder eine Mehrzahl von Fasern in einer Umhüllung aus Polyacylonitril eingeschlossen, und bis zu sechs dieser Einheiten werden wiederum um einen zentralen Widerstandselementkern aus Kunstfaser (d.h. KEVLAR/du Pont) gewickelt bzw. verkabelt. Es wird kein elektrisch leitfähiger Weg vorgesehen. In dem letztgenannten Patent (US-A-4.199.224) wird das verkabelte Bündel durch ein radiales System von Kammern ersetzt, die spiralförmig extrudiert werden und die im transversalen Kabelquerschnitt als radiale "Rippen" erscheinen. In den durch die Spiralrippen gestalteten Kammern werden eine bzw. mehrere Lichtleitfasern plaziert, die direkt über dem zentralen Stahldraht-Widerstandselement gestaltet werden. Über dem System der in Kammern eingeschlossenen Fasern werden in einer Schicht isolierte elektrische Leiter plaziert und danach mit polymeren Bändern und einer externen Umhüllung abgedeckt.
Die zweite allgemeine Art eines Lichtleitfaser- Übertragungskabels wird durch das U.S. Patent US-A-4.156.104 an Mondello (22.5.79) und das U.S. Patent US-A-4.239.336 an Parfree und Worthington (16.12.80), das zur Verwendung als Lichtleitfaser-Seekabel gedacht ist, dargestellt. In den erstgenannten Patent (US-A-4.156.104) werden die Fasern in einem ringförmigen Bereich eines extrudierten Elastomers um einen zentralen "Königsdraht" aus Stahl aufgenommen. Auf diese Weise werden maximal zwölf Fasern innerhalb eines ungefähren Gesamtdurchmessers von 2,6 mm eingeschlossen. Letzteres wird von mindestens zwei Schichten einer unidirektionalen Stahllitze umgeben, die von einer Kupferröhre umhüllt wird, die nach unten über die Stahllitze gezogen und in die äußersten Zwischenräume der Außenschicht der Stahldrähte gezogen bzw. gepreßt wird, um einen positiven mechanischen Kontakt vorzusehen. Letzteres wird mit einem E-Polyethylendielektrikum bis auf einen Gesamtdurchmesser von 21,0 mm überzogen. Diese Extrusion sieht den einzigen physischen/mechanischen Schutz für die elektrooptischen Funktionen des Kabels vor. Die Lichtleitfaserkabel-Erfindung von Parfree und Worthington (US- A-4.239.336) umfaßt ebenso ein Widerstandsverbundelement aus Stahl und einen dickwandigen, röhrenförmigen elektrischen Leiter, die nebeneinander angeordnet sind, und wobei eine Mehrzahl von Lichtleitfasern sowie ein polymeres Füllmittel in der Mitte des Kabels eingeschlossen werden. Im Gegensatz zu der Kabelerfindung von Mondello wird in zwei Verarbeitungsoperationen über den Lichtleitfasern ein duales System dickwandiger Kupferröhren mit verhältnismäßig großen Durchmessern gestaltet, wobei die resultierende Einheit von zwei entgegengesetzt verlaufenden Spiraischichten von Widerstandselementen aus Stahl umgeben wird, die sich in unmittelbarem Kontakt mit der Außenoberfläche des röhrenförmigen elektrischen Leiters befinden. Dieser zusammengesetzte röhrenförmige Leiter wird danach mit einem E- Polyethylen auf einen Gesamtdurchmesser von mehr als 25,4 mm extrudiert. Die letztgenannte Extrusion stellt wiederum den einzigen Schutz für die elektrooptischen Funktionen des Kabels dar.
Der dritte allgemeine Versuch bzw. das "Hybridverfahren" betrifft den Stand der Technik bei Lichtleitfaser-Spinnkabeln und ROV-Speisekabeln, bei denen Variationen herkömmlicher EM- Kabel verwendet werden, um fest gepufferte Lichtleifaserelemente in gleicher Stellung wie isolierte elektrische Elemente in dem Kabelgefüge zu inkorporieren. Ein fester Puffer bedeutet, daß die Lichtleitfasern einzeln verstärkt werden und mit mit verschiedenen Kunstgarnen, Stahldrähten oder einem Verbundstoff aus Glas und Epoxidharz umhüllt werden, und zwar unmittelbar über und in Kontakt mit dem primären/sekundären Puffer an der "hergestellten" Lichtleitfaser. (Hinsichtlich einer Überprüfung der treffenden Verfahren und der zugehörigen Durchmesser der einzelnen Faserseinheiten siehe "Small-Diameter, Undersea, Fiber Optic Cable", T. Dohoda und T. Stamnitz, Proc. DOD, Fiber Optics '88, McClean, Va., 23.3.1988; hinsichtlich einer Überprüfung der Konfigurationen allgemeiner ROV-Kabel und Spinnkabel, die diese Einheiten aufweisen, siehe "Fiber-Optic Tether Cable for ROV's", Proc. DOD Fiber Optics '88, McClean, Va., 23.3.1988; hinsichtlich einer geschichtlichen Betrachtung in bezug auf die Positionierung von Lichtleitfasern bei EM-Spinnkabel- und ROV- Anwendungen siehe "Development and Design of Underwater Cable", T. Stamnitz, Sea Technology, Band 25, Nr. 7, Seiten 29-33, Juli 1984).
Die vierte und neueste allgemeine Konfiguration eines Lichtleitaser-Unterwasserkabels wird in dem U.S. Patent US-A- 4.763.981 offenbart, das an G.A. Wilkins (16.8.1988) übertragen wurde. Auf der Basis einer Kupferröhre mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser für die Einkapselung der Lichtleitfasern erzielt Wilkins das Potential für eine deutliche Verringerung des Kabeldurchmessers, wobei ein synthetisches Widerstandselement außerhalb des Dielektrikums vorgesehen wird, das als Umhüllungsschutz für die elektrooptischen Funktionen des Kabels dient. Bei dem wesentlichen Aspekt dieser Erfindung handelt es sich um die Gestaltung verhältnismäßig schmaler, außerordentlich langer Kupferlegierungsstreifenlängen in einer Röhre mit geringem Durchmesser (0,9 bis 3,2 mm), die durch ein Lötverfahren mit einer Längsnaht versehen wird.

Bewertung des Stands der Technik

Die beiden Variationen des vorstehend beschriebenen ersten allgemeinen Versuchs hinsichtlich eines Lichtleitfaser- Übertragungskabels weisen in bezug auf Umgebungen mit hoher Beanspruchung, insbesondere bei Unterwasserumgebungen, von sich aus Einschränkungen auf. Bei dem ersten patentierten Versuch wird eine zentrale Kunstfaser verwendet; d.h. ein KEVLAR- Widerstandselement, das bei Betriebslasten von nur einem Fünftel der nominellen Bruchbelastung eine wesentliche axiale Verformung aufweist (minimal 0,5% und nominal 1,0%). Dieses Ausmaß der Kabeldehnung ist zu einer langen Lebensdauer (zehn bis zwanzig Jahre) einer Lichtleitfaser nicht verträglich. Bei beiden patentierten Versuchen dieser Art befindet sich das Widerstandselement in der Mitte des Kabels, so daß es keinen Umhüllungsschutz für die Lichtleitfasern vorsieht. Bei Kabeleinsätzen mit hoher Belastung von einem Kabellegeschiff auf See, ist es außerordentlich schwierig eine Lastübertragung von dem zentralen Widerstandselement auf die Außenseite der Kabelumhüllung zu erzielen, wobei es sich dabei um die einzige Oberfläche zum Greifen und Halten durch den Raupenabzug und/oder die Windentrommel handelt. Das System aus Kunststoffröhren und/oder Rillen mit kunststoffumrandeten Zwischenräumen kann unter hoher Kabelspannung während dem zyklischen Biegen über Seilscheiben leicht verformt bzw. "zusammengedrückt" werden. Diese laterale Druckbeanspruchung kann sich auf die inneren Lichtleitfasern übertragen. Das zentrale Widerstands-Kabelelement KEVLAR mit Lichtleitfasern in Kunststoffröhren sieht keinen Weg für die elektrische Leistungsübertragung vor. Bei dem spiralartig extrudierten System radialer Kunststoffkammern, die Fasern um das zentrale Widerstandselement aus Stahl einschließen, können mehrere isolierte elektrische Leiter um die mit Kunststoffrippen versehenen Kammern gewickelt werden, wobei jedoch kein größerer Umhüllungsschutz für die elektrischen Leitungen vorgesehen wird. Bei einem Unterwasser-Seekabel wird hinsichtlich der Systemkonstruktionsanforderungen ein Kabel mit einem großen elektrischen Stromleiter bevorzugt, der bei einer derartigen Konstruktion nicht verfügbar ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen zweiten allgemeinen Versuch zur Erzeugung eines Lichtleitfaser-Seekabels wurden durch tatsächliche Erlebnisse mehrere Probleme festgestellt. Ein Hauptproblem betrifft die Empfindlichkeit bzw. die Anfälligkeit des Kabels in bezug auf Haibisse, Abrieb und Treiben des Ankers. Viele der bisher hergestellten Tiefseekabel werden mit einer zusätzlichen Röhrenabschirmung aus einer Metallegierung über dem Dielektrikum versehen [fischbißgeschützt] sowie mit einer Außenumhüllung aus einem Polyethylen mit hoher Dichte, und zwar bis auf einen Durchmesser von ≥ 31,75 mm [siehe zum Beispiel "Sharkbite on the SL Submarine Lightwave Cable System: History, Causes, and Resolutions", L.J. Marra, IEEE JRNL OCEANIC ENGRG, Band 14, Nr. 3, Juli 1989, Seiten 230-237]. Die fischbißgeschützte Einrichtung umfaßt zusätzliches Material sowie zusätzliche Herstellungskosten. Ferner entspricht die Vergrößerung des Durchmessers einer Reduzierung der durchgehenden Gesamtkabellänge, die von einem Kabellegeschiff befördert bzw. getragen werden kann. Es ist wichtig zu erkennen, daß die erörterten patentierten Versuche keinen Umhüllungsschutz für die elektrooptischen Funktionen des Kabels vorsehen, und daß diese Kabel somit nur bei Tiefseeanwendungen (≥ -1500 Meter) sicher verwendet werden können [dies betrifft auch das fischbißgeschützte Kabel]. Für Einsätze in seichterem Wasser (Küstenkabel) und in küstennahen Zonen, bei denen das Kabel durch Schiffsanker und/oder übermäßige Wellen beschädigt werden kann, müssen die Kabel durch einen Stahlpanzerschutz zusätzlich geschützt werden (siehe "Design and Testing of the SL Cable", A. Adl u.a., JRNL. LW. TECH., LT-2, Nr. 6, Dezember 1984, insbesondere Seite 826 Abschnitt D und Figur 6). Schließlich erfordert die Herstellung eines Tiefseekabels mit zentralem Widerstandselement, d.h. die in dem U.S. Patent US-A- 4.156.104 und in dem Bezugspatent an Adl u.a. beschriebene kupferumhüllte Stahllitze, eine teuere Verarbeitungsanlage mit relativ hoher Technologie, die aus der Seekoaxialkabel- Herstellung entstand [siehe "Armorless Cable Manufacture", B.W. Lerch u.a., BELL SYS.TECH.JRNL., Juli 1964, Seite 1209-1241; "Design and Manufacture of an Experimental Lightguide Cable for Undersea Transmission Systems", Robert F. Gleason u.a., 27th ANNUAL INTRNL.WIRE & CABLE SYMPOSIUM, November 1978; und International Submarine Cable Systems, (ed) Seiichi Shinura, KDD Engineering and Consulting, Inc., Tokio, Japan, 1984, insbesondere Kapitel 6: "Manufacture of Submarine Cables", Seiten 249-264]. Aufgrund der hohen Gerätekapitalisierungsausgaben und des hohen Schwierigkeitsgrades des Betriebs der Verarbeitungsanlage zur Kupferumhüllung einer Stahllitze, die die dicht gepufferte Lichtleitfasereinheit aufweist, ist die Herstellung dieser Art optischer Seekabel in den Vereinigten Staaten von Amerika auf eine Firma (Simplex Wire & Cable Co.) und auf wenige andere Firmen in der ganzen Welt begrenzt. Diese Tatsache hat hohe Kosten für Lichtleitfaser-Seekabel und eine eingeschränkte Verfügbarkeit zur Folge. Die patentierten Konstruktionsversuche für optische Seekabel werden durch eine weitere Tatsache stark eingeschränkt. Aufgrund der umfassenden Schwierigkeiten bei der Einrichtung der Verarbeitungsanlage für die Herstellung des Verbunderzeugnisses der Stahl-/Kupferlitze in einer bestimmten Größe ist es nicht möglich, die Kabeleigenschaften leicht einzustellen, d.h. die Abmessungen, Stärke, elektrische Stromübertragung sowie die Anzahl der darin vorhandenen Lichtleitfasern (die normale maximale Anzahl beträgt 12).
Der dritte allgemeine Versuch bzw. der Hybridversuch zur Inkorporation von Lichtleitfasern in EM-Kabeln war zwar in bezug auf die Übertragung digitaler optischer Daten erfolgreich, doch wurde eine zunehmende Notwendigkeit für ein echtes elektro-opto-mechanisches Kabel deutlich, und zwar insbesondere für unterseeische Schlepp- oder ROV- Speisekabelanwendungen, die zur Reduzierung der hydrodynamischen Zugkräfte einen geringeren Durchmesser aufweisen. Aus den Anforderungen für eine Reihe einer großen Anzahl von Lichtleitfaser-Hydrophonen (Unterwasserschallempfänger) entstand gleichzeitig die Notwendigkeit für eine große Anzahl von Fasern innerhalb eines Schleppkabels bzw. Zugkabels mit geringen Durchmesser. Ein Kabel mit Fasern in dicht gepufferter Anordnung kann weder die Notwendigkeit für ein Schleppkabel mit geringem Durchmesser noch die Notwendigkeit für die Übertragung phasenmodulierter Daten von den Lichtleitfaser-Hydrophonen erfüllen.
In bezug auf die vierte allgemeine Konfiguration für Lichtleitfaser-Seekabel kann das Kupferlegierungs-Röhrenelement mit geringem Durchmesser aufgrund der Schwierigkeit der Abdichtung der Längsnaht nicht zuverlässig und einheitlich hergestellt werden, so daß das Produkt zur Zeit nicht verfügbar ist. Im Laufe einer siebenjährigen (1980-87) Entwicklungszeit konnte ein Laserschweißverfahren für die Naht der Kupferröhre entwickelt werden, ohne daß die Lichtleitfasern und/oder die Hohlraum- bzw. Lückenfüllung in der Röhre beschädigt wurden. In der Praxis wies das zum Verschluß der Naht der Kupferröhre verwendete Lötverfahren verschiedene Unzulänglichkeiten auf. Entweder schmolz das Lötmittel während der folgenden thermoplastischen Extrusion über der Röhre, was zu Herstellungsproblemen führte, oder die nicht ordnungsgemäß verschlossene Röhre ermöglichte das Eintreten von Meerwasser bei Tiefseeoperationen. Das Eintreten von Meerwasser während dem Betrieb führt zu einer Wasserstoffentwicklung innerhalb der Röhre, was wiederum eine Wasserstoffabtrübung der Lichtleitfasern verursacht. Außerdem haben sich für unterseeische Schleppkabel und für Fernschlepp-Seekabel Anforderungen ergeben, die eine höhere Faseranzahl (≥ 100 oder mehr) voraussetzen, die bei dem Versuch von Wilkins vorgesehen werden können. In dieser Erfindung beträgt der Durchmesser der "größten" Kupferlegierungsröhre mit geringen Durchmesser etwa 3,2 mm, was in Anbetracht des Herstellungsverfahrens etwa einer maximalen Anzahl von 40 Fasern entspricht (in der Praxis wurde maximal eine Anzahl von 12 Fasern eingesetzt). Schließlich führt das ringförmige zusammengesetzte Widerstandselement, das kennzeichnenderweise aus einem Verbundwerkstoff aus E- Glas/Epoxidharz oder KEVLAR/Epoxidharz gebildet wird, zu einer relativ niedrigen Dichtezahl, die zu vielen Unterwasseranwendungen nicht kompatibel ist, die eine bestimmte Kabel-Sinkgeschwindigkeit und/oder eine gewisse Selbsteingrabung des Kabels nach der Installation auf dem Meeresgrund voraussetzen.
Zur Zeit besteht große wirtschaftliche und militärische Nachfrage bezüglich der Entwicklung eines Lichtleitfaser- Seekabels, das sowohl eine verbesserte Empfindlichkeit (bei Tiefen von weniger als 1500 Metern), die Möglichkeit zur Herstellung durch viele Kabelhändler, als auch ein verringertes Transportvolumen vorsieht; zum Beispiel ist es wünschenswert, ein Kabel mit einem Gesamtdurchmesser von ≤-12,7 mm vorzusehen. Ferner ist es wünschenswert, daß die genauen Betriebsdaten dieses Kabels leicht anpaßbar sind, so daß eine Kabelfamilie mit einem umfassenden Bereich elektrischer Fähigkeiten, optischer Fähigkeiten und Widerstandsfähigkeiten einfach hergestellt werden kann, um die Anforderungen für eine bestimmte Anwendung zu erfüllen, ohne daß kostenintensive und langwierige Entwicklungsversuche erforderlich sind.
In den vergangenen Jahren wurde bezüglich der Lichtübertragung ein wichtiges Problem deutlich, das von keiner der dem Stand der Technik entsprechenden Kabelerfindungen angegangen wird. Es wurde die Notwendigkeit für die Entwicklung eines Lichtleitfaserkabels festgestellt, das die Fähigkeit zur Speicherung der Lichtphasen- und/oder Polarisationsdaten während der Übertragung von Signalquellenstellen an entfernte Überwachungs-(Senke)Stellen aufweist, während das Kabel gleichzeitig Schleppumgebungen mit hoher Beanspruchung und/oder unterseeischen Fernschleppanwendungen ausgesetzt wird. Diese Notwendigkeit bzw. Anforderung ist dann besonders akut, wenn Lichtleitfaser-Sensorsysteme und kohärente Faserübertragungssysteme in einer unterseeischen Umgebung, funktionsfähig sein müssen, da die Übertragungen aus verschiedenen Tiefen und insbesondere aus sehr extremen Tiefen an Signalprozessoren auf Meereshöhe erfolgen müssen. Ein schwieriges Problem auf dem Gebiet der Sensortechnologie für Lichtleiter betrifft den hohen Empfindlichkeitsgrad der "niedergeführten" Lichtleitfaser (die sich in dem Verbindungskabel befindet), die dem zu messenden Umgebungsparameter ausgesetzt werden muß. So werden bei interferometrischen Lichtleitfaser-Hydrophonen Lichtleitfasern zum Beispiel dazu verwendet, die unterseeische Sensorreihe mit einer entfernten Verarbeitungssenke zu verbinden, so daß die optoelektronische Umsetzung und die elektrische Übertragung angesammelter Daten durch lange elektromechanische (EM) Kabel nicht erforderlich sind. Die letztgenannten EM-Kabel weisen die Nachteile einer unzulänglichen Bandbreite, übermäßiger Verluste und/oder zu großer Durchmesser und zu hoher Gewichte auf. Andererseits ist die Verwendung polarisatinserhaltender Fasern oder von Fasern mit besonders niedriger Doppelbrechung für gewöhnlich nicht erschwinglich. Desweiteren hat es sich in hydriden Lichtleitfaserkonstruktionen, die eine Standard- Fernmeldefaser aufweisen, als nicht möglich erwiesen, die Faser vor einer Exposition in bezug auf die unterseeische Schallumgebung zu schützen. Ferner ist es ohne die Installation spezieller elekrooptischer Filtertechniken In-line mit der Lichtleitfaser nicht möglich, eine Erhöhung des Untergrundphasenrauschens zu verhindern, das durch dynamische, mechanische Beanspruchungen induziert werden, die der Betriebsumgebung des Schleppkabels zugeordnet sind. Folglich besteht auf dem Gebiet andauernder Bedarf hinsichtlich einer Familie allgemein erhältlicher und gut herstellbarer, elektroopto-mechanischer Kabel mit geringem Durchmesser, die durch die Fasern übertragene Lichtphasen- und/oder Polarisationsdaten erhalten können, während in bezug auf die Auswahl der elektrischen Stromübertragungsfähigkeit eine konstruktionelle Flexibilität über einen umfassenden Bereich von Werten vorgesehen wird, und wobei die Kabelstärke je nach Anwendung angepaßt werden kann, um den physikalischen Anforderungen vieler bestimmter unterseeischer Schleppkabel- oder dynamischer Meeres grund-Kabelumgebungen zu widerstehen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtleitfaser- Übertragungskabel nach Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bereitstellung einer Gruppe bzw. Familie von Lichtleitfaser-Übertragungskabeln für Anwendungen mit hoher Belastung sowie für Anwendungen als unterseeische Seekabel. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein elektro-opto-mechanisches Kabel mit einer zentralen, flexiblen zusammengesetzten elektrooptischen Litze mit einer bis vielen Lichtleitfasern in dünnwandigen Stahlröhren mit geringem Durchmesser; wobei die verschiedenen möglichen Optionen für die Gestaltung der elektrooptischen Litze wie folgt lauten: (1) eine einzige Stahlröhre mit Lichtleitfaser(n), die zusammenfallend mit der Kabelachse zentral angeordnet ist bzw. sind; (2) eine zentrale Stahlröhre, die Lichtleitfaser(n) aufweist, die von verschiedenen Anordnungen elektrischer Leiter umgeben wird bzw. werden; (3) eine zentrale Stahlröhre mit Lichtleitfaser(n), die von einer bzw. mehreren zusätzlichen Stahlröhre(n) mit Lichtleitfaser(n) umgeben wird bzw. werden; (4) eine zentrale Stahlröhre, die Lichtleitfaser(n) aufweist, die von einer Kombination auf verschiedene Weise angeordneter Stahlröhren- Lichtleitfaserelemente und/oder elektrischer Übertragungselemente umgeben weden. Alle obengenannten Konfigurationen in bezug auf die elektrooptische Litze, die in einer bzw. in mehreren dünnwandigen Stahlröhre(n) mit geringem Durchmesser eine bzw. mehrere Lichtleitfaser(n) aufweisen, sehen einen ausreichenden Schutz gegen auf die Lichtleitfaser(n) von außen einwirkende Beanspruchungen vor, so daß phasen- und/oder polarisationsmodulierte optische Daten durch die Lichtleitfaser(n) übertragen werden können. Die zentrale zusammengesetzte elektrooptische Litze wird durch eine darüber vorgesehene elastomere und/oder thermoplastische Extrusion geschützt bzw. isoliert, und sie erfährt einen weiteren Schutz durch eine bzw. mehrere Schichten metallischer Drahtwiderstandselemente, die um den durch Extrusion umhüllten elektrooptischen Kern gewickelt sind. Bei dem metallischen Drahtwiderstandselement wird vorzugsweise eine Hohlraumfüllung bzw. Lückenfüllung mit einem geeigneten wasserabweisenden Material verwendet, und wobei das Element außen optional mit einer extrudierten thermoplastischen und/oder elastomeren Extrusionsumhüllung überzogen wird, um eine integrale elektroopto-mechanische Kabelkonstruktion vorzusehen. Diese Zusammenfassung der Erfindung wird in den folgenden Absätzen fortgeführt.
Die zentrale, flexible elektrooptische Litzenkonfiguration kann allgemein eine hohe Anzahl von Fasern aufweisen (bis zu -100 oder mehr Lichtleitfasern), und wobei die verschiedenen Konstruktionen von sich aus die Übertragung rauscharmer phasenund/oder polarisationsmodulierter Lichtwellenträgerdaten durch die Lichtleitfasern gewährleisten, und zwar gleichzeitig zu der Möglichkeit der Übertragung elektrischen Stroms, wenn das Kabel physikalischen und mechanischen Umgebungen mit hoher Beanspruchung ausgesetzt wird. Ein zentrales, dünnwandiges Röhrenelement erstreckt sich longitudinal in der Achse des Kabels, wobei das Element aus bestimmten Metallegierungen hergestellt wird, die gegen eine radiale Einwärtsverformung widerstandsfähig sind, wobei sie dabei jedoch der Länge nach biegsam sind. Das zentrale, dünnwandige Element ist mit einem Außendurchmesser ausgebildet, der einem Vielfachen etwa des Zehnfachen der Abmessungen der Wanddicke des Elements entspricht, und wobei das Element eine longitudinale Schweißnaht aufweist, um einen luftdicht verschlossenen Innenraum vorzusehen. In dem Inneren des zentralen, dünnwandigen Röhrenelements befindet sich der Länge nach mindestens eine Lichtleitfaser, wobei es sich allerdings auch um eine Mehrzahl von etwa zwanzig oder mehr Fasern handeln kann, die auf diese Weise angeordnet werden. Der Innenraum des zentralen, dünnwandigen Röhrenelements, der die Lichtleitfasern aufweist, wird mit einem Gel gefüllt, so daß alle Hohlräume bzw. Lücken in diesem Innenraum entfernt werden und um eine mechanische Kopplung der Faser mit dem Inneren der Metallröhre vorzusehen. Normalerweise verhindert die Verwendung eines Metallegierungswerkstoffs für das zentrale, dünnwandige Element die Übertragung von derart viel Wärme, durch die die Lichtleitfasern beschädigt werden könnte, wenn die longitudinale Schweißnaht durch einen Laser präzise erzeugt wird. Ein ringförmiger, dielektrischer Bereich, der sich koaxial neben dem zentralen, dünnwandigen Röhrenelement befindet, und mindestens eine und vorzugsweise ein Paar konträr spiralförmiger Schichten tragender Litzen mit Torsionsausgleich, befindet sich radial außerhalb der dielektrischen Schicht. Optional wird in der dielektrischen Schicht eine umhüllte, elektrisch leitfähige Schicht bzw. mehrere Schichten runder Kupferdrähte oder geformter Kupferlitzen angeordnet, um eine elektrische Stromübertragung durch die Kabellänge vorzusehen. Ferner bedeckt eine elastomere bzw. thermoplastische Extrusionsumhüllung, kennzeichnenderweise eine Polyethylenverbindung mit geringer, mittlerer oder hoher Dichte, die bevorzugten Stahlpanzerschichten mit Torsionsausgleich, um die wasserdichte Integrität zu unterstützen und um eine abriebfeste Oberfläche vorzusehen.
Die zentrale, elektrooptische Litze kann mit zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelementen gestaltet werden, die wie das zentrale, dünnwandige Röhrenelement beschaffen sind, und die um die Kabellänge gebündelt sind, und die sich entlang der gesamten Länge des Kabels spiralartig um das zentrale, dünnwandige Element erstrecken. In jedem der zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelemente sind zusätzliche Lichtleitfasern vorgesehen, und wobei jedes eine Faser aufweisende Element während der spiralartigen Verseilung mit einer entsprechenden Rückdrehung versehen wird, um die Übertragung phasenmodulierter optischer Daten zu gewährleisten, ohne daß eine etwaige Phasenverzerrung aufgrund einer Verdrehspannung in der Faser erzeugt wird. Jedes zusätzliche dünnwandige Röhrenelement wird mit einem Gel gefüllt, um die Möglichkeiten bzw. Wahrscheinlichkeiten einer Beeinträchtigung des Dateninhalts weiter zu verringern, und um eine reibschlüssige Kopplung der Fasern mit dem Kabelgefüge vorzusehen. Bei einer weiteren Variation können mehrere feste oder verseilte elektrische Leiter wechselweise mit den zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelementen angeordnet werden, wobei diese Elemente alle den gleichen Durchmesser aufweisen, und wobei die Elemente danach um das zentrale, dünnwandige Röhrenelement gebündelt werden, so daß die Übertagung elektrischer Leistung möglich wird sowie für zusätzliche Kanäle für die Übertragung optischer Daten durch die Länge des Kabels. Auf die gleiche Weise können zusätzliche Schichten erzeugt werden, um eine mehrschichtige, zusammengesetzte, elektrooptische Litze vorzusehen. In dem dielektrischen Bereich kann eine zusätzliche leitfähige Schicht hinzugefügt werden, die normalerweise mit umhüllten runden Kupferdrähten, einer umklöppelten Kupferabschirmung, spiralartig gewickelten Metallbändern oder einer longitudinal ausgebildeten Metallröhrenabschirmung ausgebildet ist, so daß sie als Erdabschirmung oder als Rückführungsleitung für elekrischen Strom und/oder zur Signalübertragung dienen kann.

Vorteile und Aufgaben der Erfindung

Ein wichtiger Vorteil sowie eine bedeutende Aufgabe der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik ist die Bereitstellung eines verbesserten Kabels für die Übertragung phasenmodulierter optischer Daten.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kabel mit einer dünnwandigen Stahllegierungsröhre mit geringem Durchmesser vorzusehen, wobei die Röhre Lichtleitfasern sowie ein lückenfüllendes Gel für eine reibschlüssige Kopplung aufweist, um die Übertragung phasenmodulierter optischer Daten durch die Fasern vorzusehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel mit einer dünnwandigen Stahllegierungsröhre mit geringem Durchmesser vorzusehen, wobei die Röhre Lichtleitfasern und ein lückenfüllendes Gel aufweist, wobei die Röhre mit einer longitudinalen Schweißnaht luftdicht verschlossen wird, ohne daß ein Wärme- bzw. Hitzepegel erzeugt wird, der die darin vorhandenen Lichtleitfasern beschädigen könnte.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Kabel vorzusehen, das mindestens eine dünnwandige Metallröhre mit geringem Durchmesser aufweist, in der Fasern gegen asymmetrische Querbeanspruchungen und radiale Kompressionen (die die Form der Fasern und folglich deren Brechungsindexe ändern können) geschützt werden, so daß kohärente Lichtphasen- und/oder Polarisationsdaten ohne überlagerndes Rauschen durch die Lichtleitfaser(n) übertragen werden können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik liegt darin, daß die beschriebene Kabelfamihe von einer Vielzahl von Kabelhändlern auf einfache Weise hergestellt werden kann, und zwar aufgrund der Festigkeit und Stabilität der lasergeschweißten Stahlröhre, die die Lichtleitfasern während den Fertigungsvorgängen auf herkömmlichen Bandbewicklungs- und Extrusionsmaschinen schützt.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein elektro-opto-mechanisches Kabel vorzusehen, das phasenmodulierte und/oder polarisierte optische Daten zusammen mit elektrischem Strom durch dessen zentrale, zusammengesetzte elektrooptische Litze übertragen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Kabel mit Lichtleitfasern vorzusehen, die sich in mindestens einem dünnwandigen Röhrenelement befinden, das von einem ringförmigen dielektrischen Bereich sowie von mindestens einem Paar konträr spiralartiger Schichten tragender Litzen mit Torsionsausgleich umgeben wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik liegt in der Möglichkeit der Gestaltung zusammengesetzter elektrooptischer Litzenkonfigurationen, die eine große Anzahl von Stahlröhren mit geringem Durchmesser aufweisen, in denen sich jeweils eine verhältnismäßig große Anzahl von Lichtleitfasern befindet, so daß Kabel mit hoher Faseranzahl ( ≥ -100 Fasern) auf einfache Weise mit einem äußeren Panzerring von Stahlwiderstandselementdrähten innerhalb eines geringen Gesantdurchmessers ( ≤ 12,7 mm) hergestellt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die zusätzliche Aufgabe zugrunde, ein Kabel vorzusehen, das phasenmodulierte und/oder Polarisationsdaten übertragen kann, wobei das Kabel konträr spiralartige Widerstandselementwicklungen mit Torsionsausgleich aufweist, die ein Schleppen durch Wasser ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Kabel mit tragenden Elementen vorzusehen, die es ermöglichen, daß das Kabel durch Wasser geschleppt werden kann, ohne dabei die Wirksamkeit der Signalübertragungen digitaler optischer und/oder von Lichtphasendaten durch die Lichtleitfasern zu beeinträchtigen, wobei gleichzeitig umwickelte, umflochtene oder bandumwickelte elektrische Leiter für die Leistungsübertragung an entfernte Überwachungsgeräte vorhanden sind, so daß eine wirkliche integrierte elektro-optomechanische Kabelkonstruktion vorgesehen wird.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine integrierte elektro-opto-mechanische Kabelkonstruktion vorzusehen, die gleichzeitig elektrische, optische und mechanische Funktionen vorsehen kann, wobei sich diese Konstruktion für den Einsatz in einer unterseeischen Umgebung eignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Kabel mit einer koaxialen, dünnwandigen Röhre (die mindestens eine Lichtleitfaser aufweist) vorzusehen, bei der es sich allgemein um den zentralen "Draht" einer zusammengesetzten elektrooptischen Litze handelt, der von einem ringförmigen dielektrischen Bereich umgeben wird, der durch konträr spiralartige tragende Litzen mit Torsionsausgleich verstärkt wird, die durch eine externe Extrusionsumhüllung weiter verstärkt werden können, wobei das Kabel insgesamt für einen späteren Einsatz auf einer Trommel oder in dem Laderaum eines Schiffs aufbewahrt werden kann, ohne dabei die Übertragung der optischen Daten zu beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein elektroopto-mechanisches Kabel mit geringem Durchmesser vorzusehen, das eine integral extrudierte Umhüllung und metallische tragende Schichten in einem äußersten, ringförmigen Bereich aufweisen kann, der die inneren elektrooptischen Funktionen schützt, so daß eine Robustheit erzielt wird, die den Wirkungen durch Abrieb, Fischbisse und das Laufen über kleine Seilscheiben unter hoher Spannung oder über Außenbordrollen widerstehen, während die Restdehnung (Kriechen) aufgrund einer andauernden axialen Belastung minimiert wird, so daß eine wirkliche integrierte elektro-opto-mechanische Funktionsfähigkeit in einem Kabel mit hoher Dichtezahl und mit geringem Durchmesser vorgesehen wird, das auf dem Meeresboden eine Anwendung als ein Unterwasser-Lichtleiterkabel ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung des EOM-Kabels im Vergleich zu dem Stand der Technik liegt in dem Schutz der Lichtleitfaser in der dünnwandigen Stahlröhre, die eine oder mehrere Fasern und das lückenfüllende Gel für eine reibschlüssige Kopplung der Fasern an der Metallröhre aufweist, so daß die Lichtleitfaser(n) nicht axial geknickt werden kann bzw. geknickt werden können, und zwar aufgrund der auf die Außenoberfläche der schützenden Röhre ausgeübten Druckkräfte, wobei sich die Kräfte aus einer fehlerhaften Paarung folgender Faktoren ergeben: (1) dem Temperaturkoeffizienten der Ausdehnung (Kontraktion) der zum Schützen der Faser extrudierten Polymerstoffe, und (2) dem Temperaturkoeffizienten der Ausdehnung (Kontraktion) der Glasfaser an sich. Bei allen vorstehend im Text beschriebenen dicht gepufferten Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik existiert bezüglich der Dicke des Rings des Kunststoffs und/oder der Elastomere, die über die Glasfaser extrudiert werden kann, eine Einschränkung. Da die Kontraktionstemperatur von Polymern mindestens in einem Größenbereich über der Temperatur von Glas liegt, kann das Produkt dieser Kontraktion mit dem Elastizitätsmodul (E) und der Kreisfläche (A) des extrudierten Polymers das ähnliche Produkt der geringeren Kontraktion der Glasfasern multipliziert mit dem wesentlich niedrigeren EA- Produkt der Lichtleitfaser leicht "übertreffen". In der Praxis bedeutet dies, daß die Lichtleitfaser wenn sie negativen Temperaturgradienten ausgesetzt wird, nur eine geringe axiale Schrumpfung aufweist, und da ihre Biegesteifigkeit nicht ausreicht, um die durch die größere Schrumpfung der umgebenden Polymere erzeugten Kräfte zu unterstützen, kann die Glasfaser während der Verarbeitung in der Kabelfertigungsstätte axial geknickt werden. Durch das axiale Knicken werden unzulässige diskrete Verluste der optischen Leistung erzeugt. Der Vorteil der Stahlröhre liegt darin, daß deren Ausdehnungskoeffizient fast mit dem Ausdehnungskoeffizienten der Glasfaser übereinstimmt, wobi die Stahlröhre darüberhinaus eine ausreichende axiale Festigkeit vorsieht, um die durch die polymeren Extrusionen, die das in der Stahlröhre vorhandene Faserelement umgeben, erzeugten entgegengesetzten Schrumpfkräfte zu unterstützen.
Zusammengefaßt ist es ein wichtiger Vorteil der generischen bzw. allgemeinen EOM-Kabelkonstruktion im Vergleich zu dem Stand der Technik, daß: die Erfindung auf herkömmlichen Verkabelungsanlagen gut hergestellt werden kann, um eine Kabelfamilie vorzusehen, die einen umfassenden Bereich elektrischer, optischer und mechanischer Leistungsmerkmale vorsieht, die den besonderen Anforderungen spezifischer Anwendungen entsprechen.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung noch besser deutlich, wenn diese in Verbindung mit den anhängigen Ansprüchen und den Zeichnungen betrachtet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Figur 1 ein repräsentatives Ausführungsbeispiel im Querschnitt des Kabels zur Übertragung phasen- und/oder polarisationsmodulierter Daten;
Figur 1a eine Variation von Figur 1;
die Figuren 2 und 2a Variationen dieses erfinderischen Gedankens;
Figur 3 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Kabels, das die Übertragung von Lichtphasen- und/oder polarisierten, modulierten Daten gewährleistet;
Figur 3a eine Variation von Figur 3; und
Figur 3b eine Variation, die die Aufwickelbarkeit verbessert.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

In bezug auf die Zeichnungen zeigen die Figuren 1, 2 und 3 die entsprechenden Kabel 10, 10' und 10'', die spezifisch so gestaltet sind, daß sie die Übertragung lichtphasenmodulierter Daten und/oder Polarisationsdaten über große Strecken gewährleisten. Diese Konstruktionen und deren Variationen sehen eine ausreichend statische Umgebung für eine oder mehrere Monomode-Fasern in Verbindung mit statischen oder dynamischen Schleppvorgängen vor, um eine Erfassung von Lichtphasendaten und Polarisationsdaten zu ermöglichen. Untersucht wurde eine Verringerung des Phasenrauschens im Vergleich zu einer herkömmlichen hybriden Lichtleitfaser-Kabelkonstruktion. Bei der Erfindung des elektro-opto-mechanischen Kabels (EOM) wurden die meisten Probleme früherer Konstruktionen vermieden, und die Erfindung sieht eine bisher nicht verwirklichte Leistungsfähigkeit optischer Daten vor.
Eine interferometrische Lichtleitfaser-Hydrophonreihe wird mit einem Ende eines Kabels verbunden, während das andere Kabelende an einem Schleppschiff angebracht wird. Normalerweise wird phasenkohärentes Licht von einer Laserquelle abgegeben und zu der Lichtleitfaser übertragen, die einen interferometrischen Sensor in der Reihe bildet. Das Licht wird durch ein auftreffendes akustisches Signal entsprechend moduliert und aus der Modulationszone über eine weitere zu erfassende Faser zurückgeführt. Da die Phasenmodulation durch das Signal durch Veränderungen der Lichtweglänge eintritt, die von axialen Beanspruchungen in dem Fasersensor stammen, rufen etwaige weitere Veränderungen der Beanspruchung in dem Sinkfaserkabel unterschiedliche Lichtweglängen hervor. Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist es, daß die Verteilung der radialen Druckbeanspruchung auf die Sinkfaser in dem Schleppkabel eine zufällige dynamische, ellipsoidische Verformung des Brechungsindexes der Faser erzeugt. Die dynamischen radialen Druckkräfte stammen von der Quetschung des Panzers, dem kombinierten Effekt des Poissonschen Beiwerts und der radialen Komponenten der Stahldraht-Helixbeanspruchung, die Schwankungen in der Kabelspannung zugeordnet sind.
Abhängig von der Kabelgeometrie an sich und insbesondere von der Position der Fasern relativ zu benachbarten Komponenten, sind die inneren Druckkräfte auf die Fase entweder symmetrisch oder asymmetrisch. Im erstgenannten Fall sind Brechungsindexveränderungen in bezug auf die Phasenmodulation nicht sehr schädlich. Bei einer dynamischen Querdruckbeanspruchung wird die Faser in elliptische Querschnitte mit dynamisch wechselnden Exzentrizitäten verformt. Die entsprechenden Veränderungen des Brechungsindexes induzieren in dem übertragenen Licht einen dynamischen Polarisationszustand (Doppelbrechung mit dynamischer Beanspruchung). Dieses durch Beanspruchung induzierte Phasenrauschen, das die Phasendaten in der Schleppkabelfaser überlagert, sieht das Problem der Sinkempfindlichkeit vor, das durch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Kabel vermieden wird.
Wenn für eine Schleppanwendung oder für eine statische Anwendung eine Ganzfaser-Mach-Zehnder- Interferometerkonfiguration verwendet wird, umfaßt das Faser- Interferometer gleiche Signal- und Bezugsarme, um die Effekte des Laserdiodenphasenrauschens zu minimieren. Bei einer Homodynerfassung wird die erforderliche Quadratur-Vorspannung (90 Prozent Ungleichgewicht) durch Modulations- Rückkopplungsspannung an einen piezoelektrischen Bezugszylinder aufrechterhalten, der zur Wiedergewinnung auftreffender akustischer Signale verwendet wird. Die auftreffende akustische Energie sieht eine Phasenmodulation des Lichts vor, wobei es sich dabei um die verlangte Größe für das Messen an einer entfernten Signalverarbeitungsstelle oder an Bord der Schlepplattform handelt.
Ungewollte Lichtphasenveränderungen können in den Bezugs- und Sensorarmen des Interferometers und der mit dem entfernten Sensor verbundenen Sinkfaser induziert werden, und zwar aufgrund von Veränderungen des Lichts in der Lichtweglänge, das sich durch einen bestimmten Teil der Faser ausbreitet. Die grundliegenden Doppelbrechungs-Veränderungsmechanismen, die auf die einzelnen Fasern in der Kabelumgebung Belastungen bzw. Beanspruchungen ausüben können, umfassen nicht nur mechanische Beanspruchungen sonder auch Temperaturbeanspruchungen sowie Beanspruchungen durch Magnetfelder oder elektrische Felder. Beim Schleppen sind von diesen Beanspruchungen die mechanischen Beanspruchungen vorherrschend, die durch externe Kabelbelastung erzeugt werden.
In dem Artikel "Cable design approach for partial solution of lead sensitivity problems in undersea fiber optic sensor systems", T.C. Stamnitz, Proc.INT'L.SYMP.TECH.OPTO-ELECTRONICS: Optical Devices in Adverse Environments, SPIE/ANRT, Cannes, Frankreich, 19. November 1987 (11 Seiten), wird eine sorgfältige Analyse der Beanspruchungen und Probleme bei Kabelkonstruktionen für unterseeische Operationen genau beschrieben.
Aufgrund der oben aufgeführten, zu berücksichtigenden Aspekte, die auch in dem angegebenen Artikel genau behandelt werden, ist es offensichtlich, daß die Lichtleitfasern in einem Kabel gegen asymmetrische Querbeanspruchung geschützt werden. Desweiteren sind eine Reduzierung der axialen Ausdehnung auf das geringst mögliche Ausmaß für einen minimalen Faserermüdungsabbau und eine verbesserte Lebensdauer des Faserkabels wünschenswert. Daraus ergaben sich die Kabelkonstruktionen 10, 10' und 10'', wobei diese in durchgehenden Längen von 10 bis 100 Kilometern erzeugt werden können, wobei sie jedoch auch aus einer Mehrzahl kleinerer Segmente, die entsprechend miteinander verbunden werden, erzeugt werden können.
Eine Mehrzahl von Monomode-Fasern 15 ist im wesentlichen mit der Kabelachse zusammenfallend angeordnet. Die genaue Auswahl der Monomode-Fasern mit den gewünschten Übertragungseigenschaften für Übertragungen über lange Strecken und mit hohem Datendurchsatz können gemäß verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt werden. Bei der Auswahl müssen unter anderem folgende Punkte berücksichtigt werden: dem Pufferpaket zugeordnete Mikrobiegungsverluste, den Kabellegeund Schleppvorgängen zugeordnete reine Biegungsverluste, Spleißverluste aufgrund eines Kernversatzes, usw. Bei anderen Faktoren für die Faserauswahl kann es sich um den erforderlichen Verstärkerabstand und die Übertragungsgeschwindigkeit handeln. In Anbetracht der derzeitigen Verfügbarkeit einer großen Vielzahl von Monomode- Fasern von einer verhältnismäßig großen Anzahl verschiedener Hersteller, können viele Fasern verwendet werden, wenn die Parameter des Meßsystems, der Überwachungsschaltung, des Kabeleinsatzes und dergleichen für eine bestimmte Anwendung und unter gegebenen Betriebsbedingungen berücksichtigt worden sind.
Die optimalen Parameter für die Monomode-Faserkonstruktion, wie zum Beispiel den Kernradius und die Indexdifferenz, müssen für jede Situation ermittelt werden, da die optischen Leistungsmerkmale auf komplizierte Weise von den optogeometrischen Parametern der Fasern abhängig sind. Hinsichtlich der Leistungsanforderungen müssen Zugeständnisse gemacht werden. Zum Beispiel sieht eine hohe Indexdifferenz eine relative Unempfindlichkeit hinsichtlich eines Biegungs- und Mikrobiegungsverlustes vor, wobei dadurch jedoch ein im Verhältnis größerer innerer Verlust induziert wird. Ebenso sieht eine Regelung des Faserindexprofils eine Regelung der Faserdispersion bei bestimmten Wellenlängen vor, wodurch maximale Datendurchsätze bei diesen Wellenlängen bestimmt werden. In der letzten Analyse hängt der Erfolg der Lichtdatenübertragung in einem bestimmten erfindungsgemäßen Kabel von der richtigen Auswahl der opto-geometrischen Parameter in der Faser ab. Es muß jedoch festgestellt werden, daß die vorliegende Erfindung aufgrund der Konfiguration und Anordnung anderer noch zu beschreibender Elemente eine beträchtliche Anzahl von Fasern vorsieht. Es können mehr als einhundert vorhanden sein, wobei bis zu vierundzwanzig Fasern 15 in einem bestimmten dünnwandigen Röhrenelement 20 vorgesehen werden.
Bei dem dünnwandigen Röhrenelement 20 mit geringem Durchmesser handelt es sich vorzugsweise um eine Legierung, wie etwa um rostfreien Stahl 304, 316, Inconel 625 oder Titan. Die Wände des röhrenförmigen Elements sind dünn, wobei sie normalerweise eine Wanddicke von 0,05 bis 0,10 mm und von maximal 0,15 bis 0,20 mm aufweisen. Die Röhrenelemente weisen normalerweise einen Gesamtdurchmesser von 0,75 bis 1,75 mm auf. Diese Abmessungen sehen einen eher geräumigen Innenraum für eine Mehrzahl von Fasern 15 vor, wobei der verbleibende Hohlraum im Inneren der Röhre mit einem thixotropen Gel 16 gefüllt werden, das eine ausreichende Viskoelastizität aufweist, um zu verhindern, daß Wasser bei einem Reißen des Kabels axial durch das Röhreninnere fließt. Der Zusatz des Gels verhindert nicht nur eine etwaige Beschädigung der Optik oder der Endeinrichtung, sondern sieht auch eine ausreichende Viskosität für eine reibschlüssige Kopplung der Fasern mit dem dünnwandigen Röhrenelement vor.
Die die Fasern einschließenden Röhrenelemente werden gemäß den in dem U.S. Patent US-A-4.759.487 (26.7.1987) an H.E. Karlinski offenbarten Verfahren hergestellt, wobei darin die Vorrichtung und das Verfahren zur Gestaltung der Stahllegierungsröhren aus flachen Metallstreifen, zum Einspritzen der Lichtleitfasern und des Gelfüllmittels, zum Laserschweißen der Röhrennaht für einen luftdichten Verschluß und zur Zerkleinerung desselben, begründet werden.
Ein Röhrenelement aus einer Stahllegierung mit einem Gesamtdurchmesser von 0,81 mm wird aus einem Material aus rostfreiem Stahl mit einer Wanddicke von 0,05 bis 0,075 mm erzeugt, und aus einem Material mit einer Wanddicke von 0,10 bis 0,127 mm kann ein Röhrenelement mit einem Gesamtdurchmesser von 1,65 mm erzeugt werden. Diese relativen Abmessungen sehen eine ausreichend feste Konstruktion vor, um radial konvergierenden Kräften zu widerstehen, während eine Längsflexibilität möglich ist, so daß das Kabel auf einer Trommel für den späteren Einsatz über Seilscheiben gelagert werden kann. Natürlich können gemäß den Verfahren in den aufgeführten Patenten unterschiedliche Durchmesser erzeugt werden, wobei jedoch festgestellt wurde, daß ein Durchmesser, der etwa dem Zehnfachen der Wanddicke entspricht, eine ausreichende Bruchfestigkeit sowie eine ausreichende Längsflexibilität vorsieht. Die dünnwandigen Röhrenkonstruktionen schützen die Fasern gegen eine asymmetrische radiale Kompression, die eine Verformung der Faser an sich bewirken würde und folglich eine Veränderung des Brechungsindexes der Faser verursachen würde. Dieser Schutz sichert die Möglichkeit der Übertragung kohärenter Lichtphasendaten. Die Konstruktion der dünnwandigen Stahllegierung ermöglicht die genaue longitudinale Anbringung einer Laserschweißnaht 20a zum luftdichten Verschluß des Innenraums, und wobei für die darin vorhandenen Fasern ein fester, beinahe integraler Schutz vorgesehen wird. Durch das Präzisionslaserschweißen der dünnwandigen Stahllegierung werden während dem Herstellungsverfahren weder die Fasern noch das lückenfüllende Gel beschädigt. Diese Tatsache unterscheidet sich von den Ergebnissen bei der Verwendung wärmeleitfähigerer Kupfer- bzw. Kupferlegierungsröhren, die überschüssige Wärme bzw. Hitze von der Schweißstelle wegleiten, so daß die Lichtleitfasern beschädigt werden.
Bei dem Laserschweißen der aus einem Stahllegierungswerkstoff gestalteten Röhrenelemente 20 verbleibt die Wärme bzw. Hitze überwiegend in der Umgebung der Schweißnaht, wobei der Laserstrahl schnell hindurchgeführt wird ( ≥ 25 m/Sek.). Folglich werden die Fasern bei der Gestaltung der spezifisch konstruierten dünnwandigen Röhrenelemente 20 nicht beschädigt.
Die Auswahl der Stahllegierungsröhre erfüllt ferner andere zu berücksichtigende konstruktionelle Aspekte des Kabels. Der Elastizitätsmodul von Stahl sieht eine starke, stabile Röhre vor, die in herkömmlichen Anlagen einer Kabelfertigungsstätte bearbeitet und verarbeitet werden kann, ohne daß ein Knicken auftritt. Der Elastizitätsbereich der axialen Verformung von -0,55% für die Stahliegierung ist mit der erwarteten Betriebsverformung dieser Kabelerfindung vergleichbar. Das Kabel dieser Erfindung ist spezifisch gemäß nachstehend beschriebenen Merkmalen gestaltet, um bei Arbeitslast eine niedrige axiale Verformung (-25%) vorzusehen sowie eine geringe Restverformung durch Kriechen (≤ 0,15%). Die Konstruktion der dünnwandigen Metallröhre erleichtert die Längsschweißnaht 20a durch Reduzierung der erforderlichen Wärmemenge für eine Nahtfusion. Als Folge aller obengenannten Faktoren werden die eingeschlossenen Fasern und das Gel nicht beeinträchtigt, so daß das Gel eine reibschlüssige Kopplung für die Faser vorsieht, und wobei die Faser funktionsfähig ist, ohne daß das Risiko hinsichtlich durch das Röhreninnere fließenden Wassers besteht.
In bezug auf die Figuren 1 und 1a stößt ein extrudierter dielektrischer Bereich 25 ohne Unterbrechung an die Außenoberfläche der Metallröhre 20. In Figur 1a weist der extrudierte dielektrische Bereich 25 zwei Abschnitte auf, und zwar einen inneren Abschnitt 25a und einen äußeren Abschnitt 25b, die eine dazwischenliegende umhüllte, elektrisch leitfähige Schicht 50, die nachstehend im Text beschrieben wird, in Sandwich-Konstruktion einschliessen. Die gleiche Art der Extrusion ist auch in den Figuren 2a und 3 dargestellt. In Figur 2 umfaßt der dielektrische Bereich 25 einen Litzenabschirmungsabschnitt 25' aus einem halbleitfähigen Werkstoff, wie zum Beispiel einem halbleitfähigen Ethylen- Propylen-Copolymer, sowie einen zweiten Abschnitt 25'' aus einem Isoliermaterial, wie zum Beispiel aus Polyethylen mit mittlerer Dichte. Andere Werkstoffe können ebenso verwendet werden. Die Extrusionsverfahren entsprechen den Standardtechniken bei der Herstellung von Drähten und Kabeln. In bezug auf Figur 2a kann ein Klebstoff 20b optional koextrudiert bzw. mitextrudiert werden, und zwar unmittelbar über das zentrale E-O-Element und unter den dielektrischen Bereich, wenn letzterer ansonsten eine glatte Außenoberfläche des abzudeckenden E-O-Elements berühren würde. All diese Konfigurationen des dielektrischen Bereichs weisen im Zusammenhang mit bestimmten Kabel-Leistungsmerkmalen verschiedene Vorteile auf. Die offenbarten Konfigurationen für den dielektrischen Bereich können mit den ofenbarten Ausführungsbeispielen hinsichtlich der Gestaltungsauswahl ausgetauscht werden.
Die bei diesen Extrusionsverfahren normalerweise auftretende Hitze stellt für die Integrität der Längsschweißnahten 20a in dem dünnwandigen Röhrenelement keine Gefahr dar. Es konnte festgestellt werden, daß die für die dielektrischen Bereiche ausgewählten Werkstoffe ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften aufweisen sowie eine sehr geringe Feuchtigkeitsabsorption und Übertragung. Zusätzlich zu einem wünschenswerten Ausmaß an elektrischem Schutz schützen die dielektrischen Bereiche die Röhre an sich gegen Korrosion und sie puffern die innen gelagerten Fasern gegen Verzerrungseinflüsse.
Eine umhüllte leitfähige Schicht 50 kann gemäß den Darstellungen aus den Figuren 1a, 2a und 3 hinzugefügt werden, um bei Bedarf eine elektrische Strom- und Signalübertragungsfähigkeit vorzusehen. Die umhüllte, elektrische leitfähige Schicht 50 kann in den Konstruktionen vorhanden sein, um als Erdabschirmung oder Stromrückführung zu dienen, wobei sie auch als zweiter koaxialer Leiter funktionsfähig sein kann, um eine Abschirmung für die koaxiale Übertragung elektrischer Daten vorzusehen. Ein Paar tragender Schichten von Drahtlitzen 60 und 70 kann eine bestimmte Kabelkonfiguration vervollständigen.
In Figur 3b ist dargestellt, daß alternierende Litzen der Schicht 70' weggelassen werden, so daß diese Schicht als beabstandeter Panzer mit einer Abdeckung von etwa vierzig bis siebzig Prozent dienen kann. Dadurch wird die Drehsteifigkeit des Kabels verringert, wobei verbleibende Verdrehungsspannungen absorbiert werden können, die in dem Kabel aufgrund der Verdrehung auftreten, die bei der Aufwicklung des Kabels in dem Lagerbehälter eines Kabellegeschiffs immer erforderlich ist.
Diese Modifikation kann auch auf die anderen offenbarten Ausführungsbeispiele zutreffen, wobei dieses Merkmal in den anderen Ausführungsbeispielen nicht dargestellt ist, um offensichtliche Aspekte nicht ausführen zu müssen.
Die Ausführungsbeispiele aus den Figuren 2 und 2a umfassen teilweise die gleichen Elemente wie die Ausführungsbeispiele aus den Figuren 1 und 1a. Jedoch ist in Figur 2 eine Mehrzahl umhüllter elektrischer Leiter 40 um das dünnwandige Röhrenelement 20 gebündelt, und sie erstrecken sich der Länge nach spiralförmig. In Figur 2a sind als Variation geformte Kupferseumente 40' dargestellt, die verseilt sind, um den Ring um das Röhrenelement 20 zu füllen. In den Ausführungsbeispielen aus Figur 2 wird der dielektrische Bereich 25 durch einen halbleitfähigen Litzenabschirmungsabschnitt 25' und einen Isolationsabschnitt 25'' aus Polyethylen mit mittlerer Dichte gebildet. In Figur 2a wird ein Klebstoff 20b über der Außenoberfläche der geformten Kupfersegmente 40' aufgetragen, um den Bereich 25 daran festzukleben, und zwar aus Gründen der Scherübertragung während das Kabel unter Spannung durchläuft. In den Ausführungsbeispielen aus den Figuren 3, 3a und 3b sind zusätzliche Elemente dargestellt, die sich in dem extrudierten dielektrischen Bereich 25 befinden, der diesem Kabel eine verbesserte elektrooptische Eigenschaft verleiht, die bei größeren Anforderungen hinsichtlich des Sensors nützlich sein kann. In der Darstellung befinden sich drei zusätzliche dünnwandige Röhrenelemente 17, 18 und 19 in einem Ring um das zentrale dünnwandige Röhrenelement 20. Diese zusätzlichen Elemente weisen jeweils zusätzliche Fasern 17', 18' und 19' auf, die ebenfalls mit lückenfüllendem Gel 16' versehen sind und die dem Kabel eine erhöhte Lichtkanalkapazität verleihen. Mit den zusätzlichen Elementen sind Paare umhüllter elektrischer Leiter 41-46 verschachtelt angeordnet. Diese befinden sich in dem gleichen Ring wie die zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelemente, so daß das Kabel Strom an verschiedene entfernte unterseeische Verstärker, Sensoren oder ander Instrumente übertragen kann. Die drei offenbarten zusätzlichen Röhrenelemente schränken den Erfindungsgedanken nicht ein. Andere Verhältnisse der Anzahl zusätzlicher dünnwandiger Röhrenelemente zu der Anzahl zusätzlicher elektrischer Leiter können nach Verlangen ausgewählt werden.
In bezug auf die Figuren 3, 3a und 3a füllt der dielektrische Bereich 25 vorzugsweise die Zwischenräume um die zusätzlichen Röhren und elektrischen Leiter, so daß das Kabelinnere ausgefüllt wird, und um eine mechanische Kopplung für eine Scherübertragung vorzusehen.
Wie dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist, befindet sich die elektrisch leitfähige Schicht 50 in dem dielektrischen Bereich aus Figur 3, um eine Rückführungsleitung oder eine zusätzliche Übertragung von elektrischem Strom sowie einen Grad der elektronischen Abschirmung vorzusehen, falls dies erforderlich ist. Die elektrisch leitfähige Schicht 50 kann ferner in Verbindung mit den umhüllten elektrischen Leitern 41-46 dazu verwendet werden, ein koaxiales Element für die Übertragung elektrischer Daten vorzusehen.
Bei Bedarf wird eine Umhüllung 80 vorgesehen, um die Drähte gegen konzentrierte Last oder einen Stärkeabbau aufgrund von Korrosion zu schützen. Eine elastomere Füllmittelverbindung 80a füllt alle Zwischenräume zwischen benachbarten Drähten und Schichten, falls dies erforderlich ist.
Die umhüllten elektrischen Leiter und die zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelemente, die longitudinal um das zentrale dünnwandige Röhrenelement gebündelt sind, erstrecken sich spiralartig um das zentrale dünnwandige Röhrenelement. Die zusätzlichen Lichtleitfasern 17', 18' und 19' sind jeweils mit einer entsprechend berechneten Rückdrehung versehen, die dafür sorgt, daß die Erzeugung einer Verdrehungsspannung verhindert wird, was ansonsten die Fähigkeit zur Übertragung phasenmodulierter optischer Daten einschränken könnte. Diese Rückdrehung kann durch Verfahren erzielt werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt sind.
Radial außerhalb des extrudierten, ringförmigen dielektrischen Bereichs 25 befinden sich mindestens zwei Schichten 60 und 70 konträr spiralartiger Stahlpanzerdrähte mit Torsionsausgleich. Fur die Bestimmung der Konfiguration der Doppelstahl- Panzerschichten, die für die Erzeugung eines im wesentlichen verdrehungsfreien Kabels erforderlich sind, das eine geringe Kabelverdrehung gewährleistet, werden technische Grundsätze verwendet, die unter Verwendung der mathematischen Physik von physikalischen Gesetzen abgeleitet werden. Ein geringes Ausmaß der Kabelverdrehung erzeugt im allgemeinen einen geringen Versatz entlang der Kabelachse, und es verringert die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Kabelschleifen, was während Tiefseeinsätzen und Bergungen zu einer Verschlingung führen kann. Unter Verwendung der Kraftgleichgewichtsgleichung sowie der Gleichgewichtsgleichung für Kraftmomente um die Kabelachse (induziert durch axiale Kabelbelastung) sowie durch Nullsetzen der Resultanten, werden die Größe und Anzahl der Drähte in jeder der beiden Schichten durch die exakte Lösung einer Gleichung dritter Ordnung unter Verwendung der kardanschen Formel ermittelt. Für die Ermittlung einer bestimmten mehrschichtigen Panzerkonstruktion gemäß den Ausführungen in dem obengenannten Bezugsdokument von Stamnitz kann man sich auf die genaue theoretische Analyse verlassen, so daß die Größe und die Anzahl der Drähte in jeder Schicht genau bestimmt werden.
Für die Herstellung dieser Kabelerfindung ist die Herstellung dünnwandiger Röhrenelemente erforderlich, und zwar allgemein gemäß der in dem obengenannten U.S. Patent US-A-4.759.487 an Karlinski offenbarten Technik, die ein Verfahren zur Inkorporation der gewünschten Anzahl von Monomode- Lichtleitfasern in dem Inneren des dünnwandigen Röhrenelements beschreibt (Multimoden-Lichtleiter können ebenfalls verwendet werden, wobei sich sich jedoch nicht für die Übertragung phasenkohärenter Daten eignen). Eine Füllmittelverbindung eines thixotropen Gels kann gleichzeitig in die zylindrische Hülle fließen, während die Röhre der Länge nach lasergeschweißt wird um die Naht luftdicht zu verschließen, so daß das Innere vor den externen Umgebungseinflüssen geschützt wird. Für diesen Schweißvorgang sind Präzisionsvorrichtungen sowie Präzisionsverfahren erforderlich, so daß eine Beeinträchtigung der Festigkeit der Röhre und eine Beschädigung der darin getragenen Lichtleitfasern verhindert wird.
Das über das röhrenförmige Element extrudierte Dielektrikum 25 bringt in der Praxis keine Probleme mit sich, da der Laserschweißvorgang die Naht der Metallröhre vollständig verschließt. Die Extrusion des Polyethylens mit hoher Dichte mit einem Temperaturprofil von etwa 500 Grad Fahrenheit erzeugt keine derart hohe "Hitzemenge", die die durch Laserschweißen an dem dünnwandigen Röhrenelement erzeugte Naht beeinträchtigt. Die Doppelstahl-Panzerschichten werden an der dielektrischen Extrusion entsprechend angebracht, während sowohl innere als auch äußere Zwischenräume aller ansonsten leer bleibenden Hohlräume zwischen benachbarten Panzerdrähten in den gleichen Schichten oder in aufeinanderfolgenden Schichten gleichzeitig mit einer elastomeren Verbindung 80a gefüllt werden. Die letzte Umhüllung aus hochdichtem Polyethylen 80 oder aus einem äquivalenten Kunststoff bzw. einem Elastomer wird druckextrudiert, so daß die äußeren Zwischenräume der Panzerdrähte mit Abschnitten 80b in der äußersten Litzenschicht gefüllt werden, wie dies zum Beispiel in den Figuren 2, 2a, 3 und 3a ersichtlich ist, und um das ganze Kabel zu bedecken, um eine mechanische Kopplung zum Zwecke der Scherübertragung vorzusehen. Die integrale Beschaffenheit der äußeren Umhüllung und der äußeren Panzerschicht macht das Kabel noch dichter bzw. undurchlässiger in bezug auf Umgebungeinflüsse während dem Betrieb, d.h. gegen Abrieb, Temperaturveränderungen, hydrostatischen Druck, usw.
Der durch die Schicht 70' in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3b vorgesehene "beabstandete Panzer" weist die Abschnitte 80b' der extrudierten Umhüllung 80 auf, die die Zwischenräume zwischen benachbarten Stahllitzen füllen. Dadurch wird dem Kabel eine mechanische Kopplung zwischen der Umhüllung und dem Rest des Kabels verliehen, und die Drehsteifigkeit des Kabels wird reduziert, so daß ein Auf- bzw. Abwickeln des Kabels ohne Schleifenbildung bzw. Verschlingung möglich ist. Die tragenden Litzen in der beabstandeten Panzerkonstruktion sollen in umfänglich symmetrischer Anordnung zu benachbarten Litzen, die die gleichen Zwischenabstände aufweisen, hergestellt werden, so daß die darunterliegende Schicht tragender Metallitzen teilweise bedeckt wird. In der tatsächlichen Praxis ist es außerordentlich schwierig, den genau gleichen Zwischenabstand aufrechtzuerhalten, so daß es sich dabei folglich um ein konstruktionelles Ziel handelt.
Unter Berücksichtigung obiger Lehren sind sicher viele Modifikationen und Abänderungen der vorliegenden Erfindung möglich, wobei hiermit demgemäß festgestellt wird, daß die Erfindung im Rahmen der anhängigen Ansprüche auf andere Weise ausgeführt werden kann, als wie dies hierin spezifisch beschrieben worden ist.

Claims

1. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10) mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente, wobei das Kabel folgendes umfaßt:

ein zentrales Röhrenelement (20), das sich der Länge nach mit der Achse des Kabels zusammenfallend erstreckt, wobei das Röhrenelement aus einem Werkstoff mit einer entsprechenden Druckfestigkeit gestaltet ist, um einer radialen Verformung nach innen zu widerstehen;

mindestens eine Lichtleitfaser (15), die sich der Länge nach in dem Inneren des zentralen Röhrenelements befindet;

ein Gel (16), das das Innere des zentralen Röhrenelements ausfüllt, das darin mindestens eine Lichtleitfaser aufweist, so daß etwaige Hohlräume entfernt werden;

einen ringförmigen dielektrischen Bereich (25), der nach außen koaxial ist und der sich neben dem zentralen Röhrenelement befindet; und

mindestens eine Schicht tragender Metallitzen (60), die sich außerhalb des dielektrischen Bereichs (25) befinden, und dadurch gekennzeichnet, daß:

das genannte zentrale Röhrenelement (20) einen geringen Durchmesser aufweist, dünnwandig ist und mit einem Außendurchmesser ausgebildet ist, der etwa dem Zehn- bis Sechzehneinhalbfachen der Dimensionen dessen Wanddicke entspricht, so daß ein Signalverlust aufgrund von Doppelbrechungen durch dynamische Beanspruchung verhindert werden;

das genannte zentrale Röhrenelement (20) eine einzelne, longitudinale Schweißnaht (20a) aufweist, um eine integrale Konstruktion mit einem luftdicht verschlossenen Innenraum vorzusehen;

das den Innenraum des zentralen Röhrenelements (20) füllende Gel (16) eine mechanische Kopplung zwischen der genannten mindestens einen Lichtleitfaser (15) und dem Inneren des zentralen, dünnwandigen Röhrenelements (20) darin vorsieht; und daß

die genannte mindestens eine Schichttragender Metallitzen (60) direkt außerhalb und angrenzend an den dielektrischen Bereich (25) angeordnet ist.

2. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10) mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern (15) und tragender Widerstandselemente (60) nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß: es sich bei dem genannten dünnwandigen Röhrenelement (20) mit geringem Durchmesser um einen Stahllegierungswerkstoff handelt, der die entsprechenden Eigenschaften und Abmessungen aufweist, um die Übertragung von ausreichender Wärme zu verhindern, die eine Beschädigung der genannten mindestens einen Lichtleitfaser verursacht, wobei die genannte einzelne, longitudinale Schweißnaht in dem zentralen, dünnwändigen Röhrenelement durch Präzisionslaserschweißen präzsionsgenau erzeugt wird; und wobei die genannte mindestens eine Schicht tragender Metallitzen (60) mindestens ein Paar konträr spiralförmiger Schichten tragender Metallitzen (60, 70) umfaßt.

3. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10, 10' bzw. 10'') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern (15) und tragender Widerstandselemente (60, 70) nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß:

sich in dem ringförmigen dielektrischen Bereich (25) eine umhüllte, elektrisch leitfähige Schicht (50) befindet, die sich longitudinal koaxial um das genannte dünnwandige, zentrale Röhrenelement (20) erstreckt;

sich mindestens zwischen benachbarten Schichten tragender Litzen (60, 70) eine elastomere Verbindung (80a) befindet; die sowohl die inneren als auch die äußeren kleinen Zwischenräume füllt, die den Schichten zugeordnet sind; und daß eine druckgespritzte, externe Umhüllung (80) alle äußeren Zwischenräume zwischen benachbarten Metallitzen in der äußersten Schicht (70) füllt und die Schichten mit beinahem Torsionsausgleich bedeckt, wobei die genannte umhüllte, elektrisch leitfähige Schicht und das genannte dünnwandige, zentrale Röhrenelement mit der genannten mindestens einen Lichtleitfaser eine integrierte elektrooptisch-mechanische Kabelkonstruktion vorsieht.

4. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern (15) und tragender Widerstandselemente (60, 70) nach Anspruch 2 oder 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß: eine Mehrzahl umhüllter Kupferlitzen (40 bzw. 40') um das zentrale, dünnwandige Röhrenelement (20) gebündelt und beabstandet zu diesem Element angeordnet ist, und wobei sich die Mehrzahl von Kupferlitzen longitudinal spiralförmig um das zentrale Röhrenelement erstreckt, wobei die umhüllten Kupferlitzen (50), der genannte ringförmige dielektrische Bereich (25), das dünnwandige Röhrenelement (20) mit der genannten mindestens einen Lichtleitfaser (15) und die Schichten (60, 70) mit beinahem Torsionsausgleich, eine integrierte elektrooptisch-mechanische Kabelkonstruktion vorsehen.

5. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10'') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern (15) und tragender Widerstandselemente (60, 70) nach Anspruch 2, 3 oder 4, ferner gekennzeichnet durch:

mindestens ein zusätzliches dünnwandiges Röhrenelement (17, 18 bzw. 19) mit den gleichen Bestandteilen wie das genannte dünnwandige, zentrale Röhrenelement (20), das um das genannte dünnwandige, zentrale Röhrenelement gebündelt ist und das sich longitudinal spiralförmig um das zentrale Röhrenelement erstreckt;

mindestens eine zusätzliche Lichtleitfaser (17', 18' bzw. 19'), die sich in jedem der genannten zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelemente (17, 18 bzw. 19) der Länge nach erstreckt, und wobei jede Faser mit einer entsprechend berechneten Rückdrehung versehen ist, um die bei der Herstellung des spiralförmigen Wegs in jeder zusätzlichen Lichtleitfaser (17', 18' bzw. 19') induzierte Drehspannung zu versetzen, und um die Übertragung der optischen Daten mit geringen Doppelbrechungen durch dynamische Beanspruchung zu gewährleisten; und

ein Gel (16'), das jedes zusätzliche dünnwandige Röhrenelement (17, 18, 19) füllt; und

mindestens einen umhüllten elektrischen Leiter (41, 42, 43, 44, 45 bzw. 46), der um das genannte dünnwandige, zentrale Röhrenelement (20) gebündelt ist und der sich longitudinal spiralförmig um das zentrale Röhrenelement erstreckt, wobei der genannte ringförmige dielektrische Bereich (25) druckgespritzt wird, um die Abdeckung des mindestens einen zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelements (17, 18 bzw. 19) und des mindestens einen umhüllten elektrischen Leiters (41, 42, 43, 44, 45 bzw. 46) zu gewährleisten, so daß das Dielektrikum die äußeren Zwischenräume der sich spiralförmig erstreckenden Röhrenelemente (17, 18, 19) und der elektrischen Leiter (41, 42, 43, 44, 45 bzw. 46) füllt.

6. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10'') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß jedes genannte mindestens eine zusätzliche dünnwandige Röhrenelement (17, 18, 19) in einem gewünschten Verhältnis in einem Ring, der um das genannte dünnwandige, zentrale Röhrenelement (20) gebündelt ist und der sich longitudinal spiralförmig um dieses ersreckt, abwechselnd mit jedem genannten mindestens einen umhüllten elektrischen Leiter (41, 42, 43, 44, 45 bzw. 46) vorgesehen ist.

7. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß jeder genannte ringförmige, dielektrische Bereich (25) eine halbleitende Litzenabschirmung (25') aufweist, die sich in unmittelbarem Kontakt mit dem genannten mindestens einen umhüllten elektrischen Leiter (40) befindet, und wobei die Litzenabschirmung die äußersten kleinen Zwischenräume benachbarter Leiter füllt, und wobei über und angrenzend an sowie in engem Kontakt mit der halbleitenden Litzenabschirmung (25') ein isolierender Ring (25) angeordnet ist.

8. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10'') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß jeder genannte ringförmige, dielektrische Bereich (25) eine halbleitende Litzenabschirmung (25') aufweist, die sich in unmittelbarem Kontakt mit dem genannten mindestens einen umhüllten elektrischen Leiter (41, 42, 43, 44, 45 bzw. 46) und dem genannten mindestens einen zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelement (17, 18, 19) befindet, und wobei die Litzenabschirmung (25') die äußersten kleinen Zwischenräume zwischen den Elementen füllt, und wobei über und angrenzend an sowie in engem Kontakt mit der halbleitenden Litzenabschirmung (25') ein isolierender Ring (25) angeordnet ist.

9. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10) mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch:

ein haftfähiges, polymeres Bindemittel (2db), das sich auf dem genannten dünnwandigen, zentralen Röhrenelement (20) befindet, um den ringförmigen, dielektrischen Bereich (25) mit dem Element zu verbinden, so daß eine integrale elektrooptischmechanische Konstruktion vorgesehen wird.

10. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10'') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht der tragenden Metallitzen (70') in einer umfänglich symmetrischen Anordnung konfiguriert ist, wobei benachbarte Litzen gleichmäßige Zwischenräume aufweisen, um die darunterliegende Schicht tragender Metallitzen (60') teilweise abzudecken.

11. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10, 10', 10'') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zentrale Röhrenelement (20) mit einem Außendurchmesser von 0,75 mm bis 3,2 mm ausgebildet ist.

12. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10'') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente nach Anspruch 2 oder 3, ferner gekennzeichnet durch:

mindestens ein zusätzliches dünnwandiges Röhrenelement (17, 18, 19), das dem genannten dünnwandigen, zentralen Röhrenelement (20) entspricht, wobei das mindestens eine zusätzliche Röhrenelement um das genannte dünnwandige, zentrale Röhrenelement (20) gebündelt ist und sich longitudinal spiralförmig um das zentrale Röhrenelement erstreckt;

mindestens eine zusätzliche Lichtleitfaser (17', 18', 19'), die sich in jedem der genannten zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelemente (17, 18, 19) der Länge nach erstreckt, und wobei jede Faser mit einer entsprechend berechneten Rückdrehung versehen ist, um die bei der Herstellung des spiralförmigen Wegs in jeder zusätzlichen Lichtleitfaser (17', 18', 19') induzierte Drehspannung zu versetzen, und um die Übertragung der optischen Daten mit reduzierten Doppelbrechungen durch dynamische Beanspruchung zu gewährleisten; und

mindestens einen umhüllten elektrischen Leiter (41, 42, 43, 44, 45 bzw. 46), der um das genannte dünnwandige, zentrale Röhrenelement (20) gebündelt ist und der sich longitudinal spiralförmig um das zentrale Röhrenelement erstreckt;

wobei der genannte ringförmige, dielektrische Bereich (25) druckgespritzt wird, um die Abdeckung des mindestens einen zusätzlichen dünnwandigen Röhrenelements (17, 18, 19) und des mindestens einen umhüllten elektrischen Leiters (41, 42, 43, 44, 45, 46) zu gewährleisten, so daß das Dielektrikum die äußeren Zwischenräume der sich spiralförmig erstreckenden Röhrenelemente und der elektrischen Leiter füllt, und wobei die äußere Schicht der tragenden Metallitzen (70') in einer umfänglich symmetrischen Anordnung gestaltet ist, wobei benachbarte Litzen gleichmäßige Zwischenräume aufweisen, um die darunterliegende Schicht tragender Metallitzen (60) teilweise abzudecken.

13. Lichtleitfaser-Übertragungskabel (10') mit einer bis zu einer großen Anzahl physisch und mechanisch geschützter Lichtleitfasern und tragender Widerstandselemente nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch:

ein haftfähiges, polymeres Bindemittel (2db), das sich auf den Außenoberflächen des genannten mindestens einen umhüllten elektrischen Leiters befindet, um den ringförmigen, dielektrischen Bereich (25) damit zu verbinden, so daß eine integrale elektrooptisch-mechanische Konstruktion vorgesehen wird.

14. Verwendung eines Lichtleitfaser-Übertragungskabels (10, 10', 10'') nach einem der Ansprüche 1-13 zur Übertragung optischer Daten in einer Unterwasserumgebung, wobei die Verwendung folgendes umfaßt: Schleppen bzw. Ziehen verschiedener an dem Kabel angebrachter Reihenvorrichtungen bzw. Instrumente, bzw. den Betrieb eines ferngesteuerten Fahrzeugs am Ende des Kabels, bzw. Herstellung einer Unterwasserkommunikation bzw. einer Sensordatenansammlung durch das Kabel.

15. Verwendung eines Lichtleitfaser-Übertragungskabels (10, 10', 10'') nach Anspruch 14, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der optischen Daten bei den Unterwasseranwendungen die rauscharme, phasenmodulierte Datenübertragung bzw. optische Datenübertragungen mit geringen Doppelbrechungen durch dynamische Beanspruchung umfaßt.