Światłowód jest z natury bardziej delikatny niż miedź. Jest to szczególny rodzaj szkła (topiona krzemionka), którego typowa wytrzymałość na rozciąganie jest o połowę mniejsza niż w przypadku miedzi. Jednakże, mimo że topiona krzemionka wygląda i może być krucha i łamliwa, jeśli jest prawidłowo przetwarzana, testowana i używana, okazała się niezwykle trwała.
Aby ocenić trwałość dowolnego materiału, warto wziąć pod uwagę pewne cechy:
Siła początkowa
Szybkość degradacji
Wszelkie wady, które mogą go osłabić
Odczynniki, które mogą go osłabić
Jego trwałość optyczna – ponieważ krzemionka musi nadal działać w sposób zadowalający
Mając to na uwadze, istnieją zasadniczo cztery czynniki, które wpływają na trwałość sieci światłowodowej:
1. Wady powierzchni
Nieskazitelne szkło krzemionkowe, wolne od wad, jest niezwykle odporne na degradację. Jednakże wszystkie produkowane na skalę przemysłową włókna światłowodowe mają wady powierzchniowe (małe mikropęknięcia), które w pewnych warunkach zmniejszają trwałość materiału. Krytycznym czynnikiem jest tutaj współczynnik intensywności naprężeń „K”, powiązany z przyłożonym naprężeniem i pierwiastkiem kwadratowym z głębokości pęknięcia. Oznacza to, że „prawdziwe” włókna – te z małymi wadami – początkowo charakteryzują się powolnym wzrostem tych wad, po którym następuje szybki wzrost aż do zniszczenia.
Aby temu zaradzić, renomowani dostawcy włókien przeprowadzają „testy sprawdzające”, które rozciągają włókno do zadanego poziomu (zwykle 1 procent) przez określony czas, aby celowo zniszczyć większe wady.
2. Ograniczanie degradacji
Użytkownikowi pozostaje wówczas włókno zawierające mniej, mniejszych wad, które należy chronić przed niepotrzebną degradacją. Oznacza to przede wszystkim zaprzestanie powstawania nowych wad poprzez pokrycie włókna ochronnym i trwałym materiałem stanowiącym jego podstawową powłokę.
3. Obciążenia instalacyjne
Wiemy, że stres jest głównym wrogiem trwałości światłowodu, dlatego zadanie ochrony zostaje przekazane kablowcowi, który zadba o to, aby zastosowanie odpowiednich elementów wzmacniających ograniczyło naprężenia działające na kabel do poziomu znacznie mniejszego niż 1% poziomu testu sprawdzającego. Instalator musi następnie upewnić się, że proces wdrażania nie spowoduje przeciążenia kabla.
Z trzech powszechnie stosowanych technik – ciągnięcia, pchania i dmuchania – tylko ciągnięcie powoduje niepożądane rozciąganie (naprężenie rozciągające). W przeciwieństwie do metalu, szkło nie ulega zmęczeniu podczas ściskania, zatem łagodne ściskanie powstające podczas pchania nie powoduje uszkodzeń włókna.
4. Czynniki środowiskowe
Po wdrożeniu środowisko lokalne ma duży wpływ na żywotność światłowodu. Podwyższone temperatury mogą przyspieszyć rozwój pęknięć, ale w przeszłości największym problemem była obecność wody. Wzrostowi pęknięć pod wpływem naprężeń sprzyja woda, co powoduje „korozję naprężeniową”.
Możesz sprawdzić, jaka jest tendencja włókna do poddawania się korozji naprężeniowej, sprawdzając jego „parametr podatności na korozję naprężeniową”, znacznie wygodniej określany jako „n”. Wysoka wartość n (około 20) sugeruje trwałe włókno i powłokę.
Obliczanie, jak długo wytrzyma Twoja sieć
Mając na uwadze cztery powyższe czynniki, jak obliczyć żywotność sieci światłowodowej? Aby to zrobić, planista sieci musi wziąć pod uwagę dwa dane wejściowe:
Jak rozkładają się wady pomiędzy włóknami optycznymi za pomocą rozkładu Weibulla
Wyniki testów wytrzymałości włókien, zwykle przeprowadzanych przez producentów
Połączenie (przewidywanego) rozkładu wad z teorią wzrostu pęknięć pozwoliło wygenerować kilka modeli żywotności światłowodów, które można zobaczyć tutaj.
Ogólnie rzecz biorąc, modele te podają prawdopodobieństwo awarii dowolnego km światłowodu w wybranym okresie życia, wynoszącym od 20 do 40 lat. W przypadku prawidłowo zainstalowanego światłowodu poziomu 1 prawdopodobieństwo awarii w takim przedziale czasowym jest rzędu 1 na 100,000.
Dla porównania, ryzyko uszkodzenia włókna w wyniku ręcznej interwencji, takiej jak kopanie, w tym samym czasie wynosi około 1 do 1,000. Wysokiej jakości włókno, instalowane łagodnymi technikami i przez ostrożnych instalatorów w akceptowalnych warunkach, powinno zatem być wyjątkowo niezawodne – pod warunkiem, że nie jest zakłócane.
Warto również zauważyć, że same długości kabli rzadko ulegają awariom „samoistnie”, ale zdarzały się awarie w złączach, w których typ kabla i złącza nie są dobrze dopasowane, co umożliwia ruch włókien – na przykład z powodu zmian temperatury. Prowadzi to do nadmiernego naprężenia włókna i ewentualnego złamania.
Dowody z pola
Biorąc pod uwagę, że pierwsze wielkoskalowe systemy światłowodowe wdrożono na początku lat 80. XX wieku, jak sobie radziły? Dobra wiadomość jest taka, że w ciągu ostatnich 35 lat nie doszło do wybuchów awarii światłowodów na dużą skalę w prawidłowo zainstalowanych systemach wykorzystujących komponenty poziomu 1. Widoczne są pęknięcia, ale są to przeważnie miejsca, w których włókna zostały usunięte z kabli i zgięte poniżej dopuszczalnego promienia zgięcia.
Tak naprawdę, jeśli dostarczone włókna są prawidłowo przechowywane i zwinięte, jest całkiem możliwe, że okażą się mocniejsze, niż nam się początkowo wydawało. Być może pierwotne wady zaczną się goić z czasem i wystawieniem na działanie wody przy niskim poziomie stresu.
Jak widzieliśmy na innych blogach, największymi wrogami starannie zaprojektowanej niezawodności światłowodu mogą być ludzie, zwierzęta lub matka natura, a nie sama topiona krzemionka. Pomijając te kwestie nietechniczne, jest całkiem możliwe, że same sieci światłowodowe będą mogły działać z ulepszoną optoelektroniką przez wiele lat – być może nawet tak długo, jak ich miedziane poprzedniczki!