光ファイバーの信頼性と経年劣化：強度、疲労、水素、放射線、寿命

ガラスファイバーは断面積あたりで鋼より強く、乾燥した無応力の状態を保てば実質的に劣化しません。しかし実際の設備では曲げられ、引っ張られ、濡れ、凍結し、腐食する金属由来の水素にさらされ、ときには放射線にもさらされます。そして被覆、ゲル、コネクター、クロージャといった周囲の部材は、ガラス自体よりも速く劣化します。本ページでは、光ファイバーリンクの寿命を制限する要素——曲げと張力の規則の背後にある強度と疲労の物理、経年劣化のメカニズムとその兆候、各部品の現実的な使用年数、特定の時代のファイバーに何を期待できるか、そして経年劣化を見込んだマージンの設計方法——をまとめます。

機械的強度

量	値	意味
シリカの理論強度	~14 GPa	欠陥のないガラス；実際には到達しない
短い無欠陥長の実測強度	5–6 GPa（700–800 kpsi）	試験室で数メートルを試験
プルーフ応力	0.69 GPa（100 kpsi）、ひずみ ≈ 1 %	通信用ファイバーは1mごとにこれを1秒以上耐えたもの（ファイバーの製造方法）
ヤング率	72 GPa	ひずみ＝応力／弾性率：0.69 GPa ↔ 0.96 %
長尺の強度	最もまれな欠陥によって決まる	10 km の長さは1 mよりも弱点が生じる確率が高い（ワイブル統計）——これがプルーフ試験で全長をスクリーニングする理由
敷設後の長期ひずみ限界	プルーフの ≤ 20 %（≤ 0.2 %）	TIA／IEC で一般的な慣行；架空のたるみ－張力や管路への引き込みに用いる
敷設中の短期限界	プルーフの ≤ 60 %（≤ 0.6 %）	牽引や気送敷設の最中のみ（敷設）
ルースチューブ内の余長	0.1–0.5 %	この「ひずみの余裕」を使い切るまで、ケーブルのひずみはファイバーに達しない（ケーブルの構造）

静疲労：応力を受けたファイバーが後で破断する理由

水分が存在する状態で張力がかかると、表面の欠陥が徐々に成長し、やがてファイバーが破断します——応力腐食、すなわち静疲労です。き裂の成長は応力のn乗に比例します。このnが疲労パラメータで、標準的なアクリレート被覆ファイバーでは n ≈ 20（IEC 60793-1-33 は n ≥ 18 を要求）、気密性のカーボン被覆ファイバーでは100を超えます。このべき乗則のため、応力を半分にすると破断までの時間はおよそ 2²⁰ ≈ 10⁶ 倍になります。だからこそ20 %ルールは事実上無限の寿命を与える一方、プルーフの60 %で保持されたファイバーは数か月で破断することがあります。この寿命モデルは IEC TR 62048 に記載されています。

曲げは、曲げの外側にかかる張力です：ひずみ ε = r / R、r = 62.5 µm（ガラスの半径）です。

曲げ半径 R	外側表面のひずみ	標準ファイバーの長期的な評価
30 mm	0.21 %	生涯にわたり巻き数無制限——従来からの最小値
15 mm	0.42 %	数巻きなら許容範囲（G.657.A1 の領域）；G.652 では光損失に注意
10 mm	0.63 %	光学的には G.657.A2／B2；機械的には IEC 62048 によれば20年間数巻きなら問題なし
7.5 mm	0.83 %	光学的には G.657.B3；機械的には数巻きまでで、コイル状は不可
5 mm	1.25 %	プルーフひずみを超える——数年以内に破断
ステープルや閉じたトレイ蓋でのキンク	数 %	数日から数週間で破断

経年劣化と故障のメカニズム

メカニズム	原因	兆候	予防策
機械的破断（静疲労）	きつい曲げ、残留張力、トレイでの挟み込み、ステープル、ねじれたピグテイル	敷設から数週間または数年後の破断で、常に曲げ部または挟み込み箇所で発生	曲げ半径の管理、クロージャ内の裸ファイバーに張力をかけない、適切な余長収納
水素劣化	H₂ がガラス内に拡散し、欠陥部で OH を形成（1383 nm と 1240 nm での恒久的な損失増加、および広い波長域での上昇）するか、溶解する（可逆的なピーク）；原因は金属製鎧装や抗張力体のガルバニック腐食、劣化したゲル、海底中継器	減衰の傾きが上昇し、1383 nm と 1550 nm 以上で最も顕著	現行の G.652.D は IEC の水素劣化試験に合格；古いリン添加ファイバー（1990年以前）は非常に敏感；誘電体ケーブルを使い、金属を混在させない
水分と氷	チューブやクロージャ内の水分；氷の形成がファイバーを圧迫しマイクロベンドを引き起こす；長期的な被覆の膨潤；疲労の加速	冬季に 1550／1625 nm での損失が季節的に上昇、クロージャの浸水、防水テープの膨潤	密閉クロージャ、乾式の防水、管路に低所を作らない、排水
温度	低温でケーブル材料が収縮しマイクロベンドを起こす；高温はゲルと被覆を劣化させる	一部のケーブルで −40 °C において +0.05–0.2 dB/km；キャビネットの高温箇所で損失が段階的に増加	ケーブル化温度仕様を用いる；屋外用ケーブルは屋外でのみ使用
放射線誘起減衰	電離放射線が色中心を作り、ゲルマニウムやリンを添加したコアが暗化し、その後一部回復する	線量とともに dB/km が増加；短波長で最も顕著	フッ素添加ピュアシリカコアファイバー（数十ではなく 1–2 dB/km／kGy）、遮蔽、事前照射
紫外線と気象	日光がジャケットを脆化させる；架空用ジャケットはチョーキングを起こしひび割れる	シースのひび割れ、水の浸入	屋外には UV 安定化黒色ポリエチレンを使用
被覆の劣化	非適合なゲル、溶剤、誤った洗浄液、過熱	被覆除去力の変化、マイクロベンド損失、層間剥離	承認された洗浄剤、適合するゲル、ケーブルの温度限界の順守
ファイバーヒューズ	シングルモードファイバーでおよそ 1–1.5 W を超えると、汚染物や不良コネクターがプラズマを発火させ、約 1 m/s で光源側へ向かって進行する	周期的な空洞の連なりでファイバーが破壊され、区間が即座に損失を失う	パワー制限、高出力コネクターの清浄化、ラマンシステムでのヒューズ検出器（非線形効果）
げっ歯類、シロアリ、落雷、車両、架空ケーブルへの銃撃	外的要因	断線と圧壊	鎧装、誘電体設計、接地、離隔距離（保守と復旧）
コネクターの摩耗	嵌合のたびに端面が摩耗する；異物による傷	数百回の嵌合後に損失と反射率が上昇	コネクターあたり 500–1 000 回の嵌合；コードとカセットを交換し、嵌合前に検査
スプライス保護スリーブとクロージャの経年劣化	熱収縮スリーブは数十年もつ；メカニカルスプライスのゲルは10–20年で乾燥；クロージャのガスケットは硬化する	メカニカルスプライスでの反射、クロージャ内の水分	恒久的な接続には融着接続を使う、検査時にクロージャを再密閉する
ゲルの移行	屋内の垂直配線でゲルが垂れ、トレイを汚染する	クロージャの汚損、被覆の損傷	屋内と立て坑には乾式ケーブルを使用

各部品の使用年数

部品	標準的な使用年数	制限要因
ガラスファイバー	25–40年以上；1980年代のファイバーが今なお通信を運んでいる	応力下の欠陥、古いファイバー中の水素
被覆	25–30年	薬品、熱
管路内の屋外ケーブル	25–40年	ジャケット、防水
直接埋設ケーブル	25–30年	地盤の動き、げっ歯類、掘削事故
架空ケーブル	20–25年	着氷と風による疲労、紫外線、車両の衝突
屋内ケーブル	25年以上	経年劣化よりも改修が寿命を決める
コネクター	年数ではなく嵌合回数と汚染で決まる	500–1 000 回の嵌合
スプライスクロージャ	再密閉を行い20–25年	ガスケット、水分
メカニカルスプライス	10–20年	ゲルの乾燥
スプリッター、WDM フィルター	20年以上	極端な温度でのエポキシと接着剤
パッチコード	5–10年	取り扱い、曲げ、端面の摩耗
文書	最初の未記録の変更まで	物理現象ではなくプロセスの問題（文書化とラベリング）

時代ごとのファイバー：何を期待できるか

敷設時期	標準的なファイバー	現在のサービスにおける制限
1985年以前	50 µm と 62.5 µm のマルチモード、初期のシングルモード（0.5–1 dB/km、高い OH）	1310 nm のみ；100 Mbit/s–1G
1985–1995年	G.652.A／B；PMD 0.5–2 ps/√km；高い水のピーク；一部リン添加で水素に敏感	PMD 次第で 10G が 25–100 km；40G NRZ は不可；E バンド不可；コヒーレントは動作する（ファイバー特性評価）
1995–2005年	G.652.B／C；一部の長距離区間に分散シフト G.653；新規長距離に G.655；屋内はどこも 62.5 µm の OM1	G.653 は C バンド DWDM を破綻させる（四光波混合）——L バンドか不等間隔を使う；OM1 は 10G で 33 m
2005–2015年	低水ピークの G.652.D；OM3／OM4；FTTH での G.657	100G／400G コヒーレントと18波長すべての 10G CWDM に対応
2015年以降	OM5、地上コヒーレント向け G.654.E、200 µm 被覆、ロール可能リボン、あらゆる場面で耐曲げ性	800G コヒーレント、OS2 での 400G PAM4

経年劣化を見込んだ設計

設計上の対策	標準的な許容値
リンクバジェットにおける経年劣化の許容値	リンクあたり 1 dB、または長距離区間で 0.05 dB/km（リンクバジェット）
修理マージン	想定される将来の融着接続1か所あたり 0.1 dB、寿命の間に 100 km あたり2–4回の修理
コネクターの劣化	寿命の間にペアあたり 0.2 dB
予備心線	心数の 20–50 %、または次の標準心数への切り上げ
誘電体ケーブル	落雷の多い地域、電力線沿い、金属が腐食する環境で使用
屋内と立て坑での乾式ケーブル	ゲルの移行が起こらない
ベースラインと傾向	開通時の OTDR と DDM、年次での比較（保守と復旧）

CodingBox では

リンク上でもう1つ劣化するものがレーザーです。一定の出力パワーに対してバイアス電流が上昇していくのが、モジュールの寿命末期を示す兆候です。CodingBox は Tx バイアスを読み取り、その推移を追跡します。遠端の Tx とバイアスがどちらも安定しているのに受信パワーが緩やかに低下する場合は、モジュールではなく設備側の経年劣化です——コネクター、クロージャ、水分が原因です（Tx バイアスとレーザーの経年劣化、アプリ内の DDM）。

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