ความน่าเชื่อถือและการเสื่อมสภาพของใยแก้วนำแสง: ความแข็งแรง ความล้า ไฮโดรเจน รังสี และอายุการใช้งาน

ใยแก้วนำแสงแข็งแรงกว่าเหล็กกล้าเมื่อเทียบต่อพื้นที่หน้าตัด และหากเก็บไว้ในที่แห้งและไม่มีความเครียดกระทำ แทบไม่เสื่อมสภาพตามอายุเลย แต่ในระบบสายจริง ใยแก้วนำแสงถูกโค้งงอ ถูกดึง เปียกน้ำ แช่แข็ง สัมผัสไฮโดรเจนจากโลหะที่กัดกร่อน และบางครั้งสัมผัสรังสี ส่วนชิ้นส่วนรอบตัวมัน — การเคลือบ เจล คอนเนกเตอร์ กล่องต่อสาย — เสื่อมสภาพเร็วกว่าตัวแก้วเอง หน้านี้รวบรวมสิ่งที่จำกัดอายุการใช้งานของลิงก์ใยแก้วนำแสง ได้แก่ ฟิสิกส์ของความแข็งแรงและความล้าที่อยู่เบื้องหลังกฎการโค้งงอและแรงดึง กลไกการเสื่อมสภาพตามอายุและลักษณะบ่งชี้ อายุการใช้งานตามจริงของแต่ละชิ้นส่วน สิ่งที่คาดหวังได้จากใยแก้วนำแสงแต่ละยุค และวิธีออกแบบค่าเผื่อสำหรับการเสื่อมสภาพตามอายุ

ความแข็งแรงเชิงกล

ปริมาณ	ค่า	ความหมาย
ความแข็งแรงเชิงทฤษฎีของซิลิกา	~14 GPa	แก้วที่ไร้ข้อบกพร่องสมบูรณ์; ไม่เคยพบในทางปฏิบัติ
ความแข็งแรงที่วัดได้ของท่อนสั้นที่ไร้ตำหนิ	5–6 GPa (700–800 kpsi)	ทดสอบในห้องปฏิบัติการด้วยความยาวไม่กี่เมตร
แรงดึงพิสูจน์	0.69 GPa (100 kpsi), ความเครียด ≈ 1 %	ใยแก้วนำแสงสำหรับโทรคมนาคมทุกเมตรผ่านแรงนี้มาแล้วเป็นเวลา ≥ 1 s (วิธีการผลิตใยแก้วนำแสง)
มอดูลัสของยัง	72 GPa	ความเครียด = ความเค้น / มอดูลัส: 0.69 GPa ↔ 0.96 %
ความแข็งแรงของท่อนยาว	กำหนดโดยข้อบกพร่องที่หายากที่สุด	ท่อนยาว 10 km มีโอกาสพบจุดอ่อนมากกว่าท่อนยาว 1 m (สถิติแบบไวบุลล์) — จึงเป็นเหตุผลที่การทดสอบพิสูจน์แรงดึงต้องตรวจตลอดทั้งความยาว
ขีดจำกัดความเครียดระยะยาวหลังติดตั้ง	≤ 20 % ของค่าพิสูจน์ (≤ 0.2 %)	แนวปฏิบัติทั่วไปตาม TIA/IEC; ใช้กับแรงดึงหย่อนของสายเดินอากาศและการดึงสายในท่อร้อยสาย
ขีดจำกัดระยะสั้นขณะติดตั้ง	≤ 60 % ของค่าพิสูจน์ (≤ 0.6 %)	เฉพาะระหว่างการดึงสายและการเป่าสายเท่านั้น (การติดตั้ง)
ความยาวใยแก้วนำแสงส่วนเกินในลูสทูบ	0.1–0.5 %	ความเครียดของสายเคเบิลจะยังไม่ถึงใยแก้วนำแสงจนกว่า “หน้าต่างความเครียด” นี้จะถูกใช้จนหมด (โครงสร้างสายเคเบิล)

ความล้าแบบสถิต: เหตุใดใยแก้วนำแสงที่มีความเครียดจึงขาดในภายหลัง

เมื่อมีแรงดึงกระทำร่วมกับความชื้น ข้อบกพร่องที่ผิวจะขยายตัวอย่างช้า ๆ จนกระทั่งใยแก้วนำแสงเสียหาย — เรียกว่าการกัดกร่อนจากความเค้น หรือความล้าแบบสถิต การขยายตัวของรอยแตกแปรผันตามความเค้นยกกำลัง n ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ความล้า โดย n ≈ 20 สำหรับใยแก้วนำแสงเคลือบอะคริเลตมาตรฐาน (IEC 60793-1-33 กำหนดให้ n ≥ 18) และสูงกว่า 100 สำหรับใยแก้วนำแสงเคลือบคาร์บอนแบบผนึกแน่นสนิท ด้วยกฎยกกำลังนี้ การลดความเค้นลงครึ่งหนึ่งจะทำให้เวลาจนถึงความเสียหายเพิ่มขึ้นราว 2²⁰ ≈ 10⁶ เท่า จึงเป็นเหตุผลที่กฎ 20 % ให้อายุการใช้งานที่ยาวนานแทบไม่จำกัด ในขณะที่ใยแก้วนำแสงที่รับความเครียดค้างไว้ที่ 60 % ของค่าพิสูจน์อาจเสียหายภายในไม่กี่เดือน แบบจำลองอายุการใช้งานอยู่ใน IEC TR 62048

การโค้งงอคือแรงดึงที่ผิวด้านนอกของส่วนโค้ง โดยความเครียด ε = r / R เมื่อ r = 62.5 µm (รัศมีของแก้ว)

รัศมีโค้งงอ R	ความเครียดที่ผิวด้านนอก	ข้อสรุประยะยาวสำหรับใยแก้วนำแสงมาตรฐาน
30 mm	0.21 %	โค้งได้ไม่จำกัดจำนวนรอบตลอดอายุการใช้งาน — ค่าต่ำสุดแบบดั้งเดิม
15 mm	0.42 %	ยอมรับได้สำหรับไม่กี่รอบ (ขอบเขตของ G.657.A1); ต้องระวังการสูญเสียเชิงแสงบน G.652
10 mm	0.63 %	ทางแสงอยู่ในขอบเขตของ G.657.A2/B2; ทางกลปลอดภัยสำหรับไม่กี่รอบตลอด 20 ปีตาม IEC 62048
7.5 mm	0.83 %	ทางแสงอยู่ในขอบเขตของ G.657.B3; ทางกลรับได้ไม่กี่รอบ ไม่ใช่ขดม้วน
5 mm	1.25 %	สูงกว่าความเครียดพิสูจน์ — เสียหายภายในไม่กี่ปี
จุดหักงอที่ลวดเย็บหรือฝาถาดที่ปิดทับ	หลาย %	ขาดภายในไม่กี่วันถึงไม่กี่สัปดาห์

กลไกการเสื่อมสภาพและความเสียหาย

กลไก	สาเหตุ	สัญญาณบ่งชี้	การป้องกัน
การแตกหักเชิงกล (ความล้าแบบสถิต)	การโค้งงอแน่น แรงดึงค้าง จุดหนีบในถาด ลวดเย็บ พิกเทลที่บิดเกลียว	ขาดหลังติดตั้งไม่กี่สัปดาห์หรือหลายปี เสมอที่จุดโค้งงอหรือจุดหนีบ	รัศมีโค้งงอ ไม่ให้มีแรงดึงบนใยแก้วนำแสงเปลือยในกล่องต่อสาย การเก็บสายเผื่ออย่างถูกวิธี
การเสื่อมสภาพจากไฮโดรเจน	H₂ แพร่เข้าไปในเนื้อแก้ว ที่ตำแหน่งข้อบกพร่องจะเกิดเป็น OH (การสูญเสียถาวรที่ 1383 และ 1240 nm พร้อมค่าที่สูงขึ้นเป็นช่วงกว้าง) หรือละลายอยู่ในเนื้อแก้ว (จุดพีกที่ผันกลับได้); แหล่งกำเนิด: การกัดกร่อนแบบกัลวานิกของเกราะโลหะและส่วนรับแรงดึง เจลที่เสื่อมสลาย รีพีตเตอร์ใต้ทะเล	ความชันของการลดทอนเพิ่มขึ้น แย่ที่สุดที่ 1383 nm และเหนือ 1550 nm	G.652.D ยุคใหม่ผ่านการทดสอบการเสื่อมสภาพจากไฮโดรเจนตาม IEC; ใยแก้วนำแสงเจือฟอสฟอรัสรุ่นเก่า (ก่อนปี 1990) ไวต่อผลนี้มาก; ใช้สายเคเบิลแบบไดอิเล็กตริก ไม่ผสมโลหะต่างชนิด
น้ำและน้ำแข็ง	น้ำในท่อหรือกล่องต่อสาย; น้ำแข็งที่ก่อตัวบีบอัดใยแก้วนำแสง → การโค้งงอระดับจุลภาค; การเคลือบบวมตัวในระยะยาว; ความล้าเร่งตัวเร็วขึ้น	การสูญเสียเพิ่มขึ้นตามฤดูกาลในหน้าหนาวที่ 1550/1625 nm, กล่องต่อสายเปียก, เทปกันน้ำบวมตัว	กล่องต่อสายที่ปิดผนึกแน่น วัสดุกันน้ำแบบแห้ง ไม่มีจุดต่ำในท่อร้อยสาย มีการระบายน้ำ
อุณหภูมิ	วัสดุของสายเคเบิลหดตัวเมื่อเย็นลง → การโค้งงอระดับจุลภาค; ความร้อนทำให้เจลและการเคลือบเสื่อมสภาพ	+0.05–0.2 dB/km ที่ −40 °C ในสายเคเบิลบางชนิด; การสูญเสียกระโดดขึ้นที่จุดร้อนในตู้	ใช้ค่าพิกัดอุณหภูมิของสายเคเบิลตามที่ระบุ; ใช้สายเคเบิลเกรดภายนอกอาคารกับงานภายนอกอาคารเท่านั้น
การลดทอนที่เกิดจากรังสี	รังสีไอออไนซ์ก่อให้เกิดศูนย์กลางสี แกนที่เจือเจอร์เมเนียมและฟอสฟอรัสจะคล้ำลง แล้วฟื้นตัวกลับมาบางส่วนในภายหลัง	dB/km เพิ่มขึ้นตามปริมาณรังสีที่ได้รับ แย่ที่สุดที่ความยาวคลื่นสั้น	ใยแก้วนำแสงแกนซิลิกาบริสุทธิ์เจือฟลูออรีน (1–2 dB/km ต่อ kGy แทนที่จะเป็นหลักสิบ), การกำบังรังสี, การฉายรังสีล่วงหน้า
รังสียูวีและสภาพอากาศ	แสงแดดทำให้ปลอกสายเปราะ; ปลอกสายเดินอากาศเป็นผงชอล์กและแตกร้าว	ปลอกสายแตกร้าว น้ำซึมเข้า	ใช้พอลิเอทิลีนสีดำที่ทนยูวีสำหรับงานภายนอกอาคาร
การเสื่อมสภาพของการเคลือบ	เจลที่เข้ากันไม่ได้ ตัวทำละลาย น้ำยาทำความสะอาดที่ผิด ความร้อนสูงเกินไป	แรงปอกเปลือกเปลี่ยนไป การสูญเสียจากการโค้งงอระดับจุลภาค การหลุดล่อนเป็นชั้น	ใช้น้ำยาทำความสะอาดที่รับรอง เจลที่เข้ากันได้ ขีดจำกัดอุณหภูมิของสายเคเบิล
ไฟลุกในใยแก้วนำแสง (fibre fuse)	เหนือกำลังประมาณ 1–1.5 W ในใยแก้วนำแสงซิงเกิลโหมด สิ่งปนเปื้อนหรือคอนเนกเตอร์ที่ไม่ดีจะจุดพลาสมาที่วิ่งย้อนกลับไปทางแหล่งกำเนิดด้วยความเร็วประมาณ 1 m/s	ใยแก้วนำแสงถูกทำลายเป็นสายโพรงเป็นระยะ ๆ; สูญเสียทั้งช่วงลิงก์ทันที	จำกัดกำลังไฟ ทำความสะอาดคอนเนกเตอร์กำลังสูง ใช้ตัวตรวจจับฟิวส์ในระบบ Raman (ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้น)
หนู ปลวก ฟ้าผ่า ยานพาหนะ การยิงปืนใส่สายเดินอากาศ	ปัจจัยภายนอก	ขาดและถูกบดขยี้	เกราะป้องกัน การออกแบบแบบไดอิเล็กตริก การต่อลงดิน ระยะห่างเคลียร์ (การบำรุงรักษาและการกู้คืนระบบ)
การสึกหรอของคอนเนกเตอร์	การเข้าคู่ทุกครั้งขัดสีหน้าตัดปลาย เศษสิ่งสกปรกทำให้เกิดรอยขีดข่วน	การสูญเสียและค่าการสะท้อนเพิ่มขึ้นหลังเข้าคู่หลายร้อยครั้ง	500–1 000 ครั้งต่อคอนเนกเตอร์; เปลี่ยนสายและคาสเซ็ต ตรวจสอบก่อนเข้าคู่ทุกครั้ง
การเสื่อมสภาพของปลอกป้องกันจุดเชื่อมและกล่องต่อสาย	ปลอกหด (heat-shrink) อยู่ได้นานหลายสิบปี; เจลของจุดเชื่อมแบบกลไกแห้งภายใน 10–20 ปี; ซีลของกล่องต่อสายแข็งกระด้างขึ้น	เกิดค่าการสะท้อนที่จุดเชื่อมแบบกลไก มีน้ำในกล่องต่อสาย	ใช้การเชื่อมแบบฟิวชันสำหรับจุดต่อถาวร ปิดผนึกกล่องต่อสายใหม่ทุกครั้งที่ตรวจสอบ
การไหลย้ายของเจล	เจลหยดในช่องเดินสายแนวตั้งภายในอาคาร ปนเปื้อนถาดสาย	กล่องต่อสายเลอะเทอะ การเคลือบเสียหาย	ใช้สายเคเบิลชนิดแห้งภายในอาคารและในช่องเดินสายแนวตั้ง

อายุการใช้งานของชิ้นส่วนต่าง ๆ

ชิ้นส่วน	อายุการใช้งานโดยทั่วไป	ปัจจัยจำกัด
ใยแก้วนำแสง	25–40 ปีขึ้นไป; ใยแก้วนำแสงยุคทศวรรษ 1980 ยังคงรับส่งทราฟฟิกอยู่	ข้อบกพร่องภายใต้ความเครียด ไฮโดรเจนในใยแก้วนำแสงรุ่นเก่า
การเคลือบ	25–30 ปี	สารเคมี ความร้อน
สายเคเบิลภายนอกอาคารในท่อร้อยสาย	25–40 ปี	ปลอกสาย วัสดุกันน้ำ
สายเคเบิลฝังดินโดยตรง	25–30 ปี	การเคลื่อนตัวของดิน หนู การขุดโดน
สายเคเบิลเดินอากาศ	20–25 ปี	ความล้าจากน้ำแข็งและลม รังสียูวี ยานพาหนะชน
สายเคเบิลภายในอาคาร	25 ปีขึ้นไป	มักถูกเปลี่ยนเพราะการปรับปรุงอาคารมากกว่าการเสื่อมสภาพ
คอนเนกเตอร์	นับตามจำนวนครั้งที่เข้าคู่และการปนเปื้อน ไม่ใช่ตามปี	500–1 000 ครั้ง
กล่องต่อสาย	20–25 ปี หากมีการปิดผนึกใหม่เป็นระยะ	ซีล น้ำ
จุดเชื่อมแบบกลไก	10–20 ปี	เจลแห้ง
สปลิตเตอร์ ฟิลเตอร์ WDM	20 ปีขึ้นไป	อีพอกซีและกาวที่อุณหภูมิสุดขั้ว
สายแพตช์คอร์ด	5–10 ปี	การใช้งาน การโค้งงอ การสึกหรอของหน้าตัดปลาย
เอกสาร	จนถึงการเปลี่ยนแปลงครั้งแรกที่ไม่ได้บันทึกไว้	เป็นเรื่องของกระบวนการ ไม่ใช่ฟิสิกส์ (เอกสารและการติดป้ายกำกับ)

ใยแก้วนำแสงตามยุค: สิ่งที่คาดหวังได้

ติดตั้งเมื่อ	ใยแก้วนำแสงโดยทั่วไป	ข้อจำกัดต่อบริการในปัจจุบัน
ก่อนปี 1985	มัลติโหมด 50 และ 62.5 µm, ซิงเกิลโหมดรุ่นแรกที่ 0.5–1 dB/km และมี OH สูง	เฉพาะ 1310 nm; 100 Mbit/s–1G
ปี 1985–1995	G.652.A/B; PMD 0.5–2 ps/√km; จุดพีกน้ำสูง; บางส่วนเจือฟอสฟอรัส ไวต่อไฮโดรเจน	10G ได้ระยะ 25–100 km ขึ้นอยู่กับ PMD; ไม่รองรับ 40G NRZ; ไม่รองรับแบนด์ E; โคฮีเรนต์ใช้งานได้ (การวิเคราะห์คุณลักษณะใยแก้วนำแสง)
ปี 1995–2005	G.652.B/C; G.653 แบบดิสเพอร์ชันเลื่อนบนเส้นทางระยะไกลบางเส้นทาง; G.655 บนเส้นทางระยะไกลที่สร้างใหม่; OM1 62.5 µm ใช้ทั่วไปภายในอาคาร	G.653 ใช้กับ DWDM แบนด์ C ไม่ได้ (เกิดการผสมสี่คลื่น) — ต้องใช้แบนด์ L หรือระยะห่างช่องสัญญาณไม่เท่ากัน; OM1 ได้ระยะ 33 m ที่ 10G
ปี 2005–2015	G.652.D จุดพีกน้ำต่ำ; OM3/OM4; G.657 ใน FTTH	รองรับ 100G/400G โคฮีเรนต์ และ 10G CWDM ได้ครบทั้ง 18 ความยาวคลื่น
ตั้งแต่ปี 2015	OM5, G.654.E สำหรับโคฮีเรนต์ภาคพื้นดิน การเคลือบ 200 µm ริบบอนแบบม้วนได้ ไม่ไวต่อการโค้งงอทุกจุด	800G โคฮีเรนต์, 400G PAM4 บน OS2

การออกแบบเผื่อการเสื่อมสภาพตามอายุ

มาตรการออกแบบ	ค่าเผื่อโดยทั่วไป
ค่าเผื่อการเสื่อมสภาพในงบประมาณลิงก์	1 dB ต่อลิงก์ หรือ 0.05 dB/km บนเส้นทางระยะไกล (งบประมาณลิงก์)
ค่าเผื่อสำหรับการซ่อมแซม	0.1 dB ต่อจุดเชื่อมที่คาดว่าจะเกิดในอนาคต 2–4 ครั้งต่อ 100 km ตลอดอายุการใช้งาน
การเสื่อมสภาพของคอนเนกเตอร์	0.2 dB ต่อคู่ตลอดอายุการใช้งาน
เส้นใยสำรอง	20–50 % ของจำนวนที่ใช้ หรือปัดขึ้นเป็นจำนวนมาตรฐานถัดไป
สายเคเบิลแบบไดอิเล็กตริก	ใช้ในพื้นที่เสี่ยงฟ้าผ่า ตามแนวสายไฟฟ้า และจุดที่โลหะจะกัดกร่อน
สายเคเบิลชนิดแห้งภายในอาคารและในช่องเดินสายแนวตั้ง	ไม่มีการไหลย้ายของเจล
เส้นฐานและแนวโน้ม	OTDR และ DDM ตอนติดตั้งใช้งาน เทียบผลรายปี (การบำรุงรักษาและการกู้คืนระบบ)

ใน CodingBox

อีกสิ่งหนึ่งบนลิงก์ที่เสื่อมสภาพตามอายุคือเลเซอร์ กระแสไบอัสที่ค่อย ๆ เพิ่มขึ้นในขณะที่กำลังเอาต์พุตคงที่คือสัญญาณบ่งชี้ว่าโมดูลใกล้หมดอายุการใช้งาน CodingBox อ่านค่าไบอัส Tx และแสดงแนวโน้มให้เห็น ส่วนกำลังรับที่ลดลงอย่างช้า ๆ ในขณะที่ Tx และไบอัสของฝั่งปลายไกลยังคงที่ทั้งคู่ คือการเสื่อมสภาพของระบบสาย — คอนเนกเตอร์ กล่องต่อสาย น้ำ — ไม่ใช่ที่ตัวโมดูล (ไบอัส Tx และการเสื่อมสภาพของเลเซอร์, DDM ในแอป)

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ