Độ tin cậy và lão hóa của sợi quang: độ bền, mỏi, hydro, bức xạ, tuổi thọ

Xét theo tiết diện, sợi thủy tinh bền hơn thép, và nếu được giữ khô ráo, không chịu ứng suất, nó gần như không lão hóa. Trong một hạ tầng thực tế, sợi quang bị uốn cong, kéo căng, thấm nước, đóng băng, tiếp xúc với hydro sinh ra từ kim loại bị ăn mòn và đôi khi cả bức xạ, còn các bộ phận xung quanh nó — lớp phủ, gel, đầu nối, măng xông — lão hóa nhanh hơn thủy tinh. Trang này tổng hợp những gì giới hạn tuổi thọ của một liên kết sợi quang: vật lý về độ bền và mỏi đằng sau các quy tắc uốn cong và lực căng, các cơ chế lão hóa và dấu hiệu nhận biết của chúng, tuổi thọ thực tế của từng bộ phận, những gì có thể kỳ vọng từ sợi quang của một thời kỳ nhất định và cách thiết kế dự trữ cho lão hóa.

Độ bền cơ học

Đại lượng	Giá trị	Ý nghĩa
Độ bền lý thuyết của silica	~14 GPa	thủy tinh hoàn hảo không tì vết; không bao giờ đạt được trong thực tế
Độ bền đo được của các đoạn ngắn còn nguyên vẹn	5–6 GPa (700–800 kpsi)	vài mét được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm
Ứng suất thử	0,69 GPa (100 kpsi), ≈ 1 % biến dạng	mọi mét sợi quang viễn thông đều đã chịu được mức này trong ≥ 1 s (Sợi quang được sản xuất như thế nào)
Mô-đun Young	72 GPa	biến dạng = ứng suất / mô-đun: 0,69 GPa ↔ 0,96 %
Độ bền của các đoạn dài	do khiếm khuyết hiếm gặp nhất quyết định	một đoạn 10 km có xác suất chứa điểm yếu cao hơn một đoạn 1 m (thống kê Weibull) — đây là lý do vì sao thử ứng suất phải sàng lọc toàn bộ chiều dài
Giới hạn biến dạng lắp đặt dài hạn	≤ 20 % mức thử ứng suất (≤ 0,2 %)	thông lệ phổ biến theo TIA/IEC; dùng cho tính toán độ võng–lực căng trên không và kéo cáp trong ống
Giới hạn khi lắp đặt ngắn hạn	≤ 60 % mức thử ứng suất (≤ 0,6 %)	chỉ trong lúc kéo và thổi cáp (Thi công)
Chiều dài sợi quang dư trong ống đệm lỏng	0,1–0,5 %	ứng suất của cáp không truyền tới sợi quang cho đến khi “cửa sổ biến dạng” này dùng hết (Cấu tạo cáp quang)

Mỏi tĩnh: vì sao sợi quang chịu ứng suất lại đứt về sau

Khi chịu lực căng trong môi trường có độ ẩm, các khiếm khuyết bề mặt phát triển chậm dần cho đến khi sợi quang đứt gãy — hiện tượng ăn mòn do ứng suất, hay mỏi tĩnh. Tốc độ phát triển vết nứt tỷ lệ với ứng suất lũy thừa n, tham số mỏi: n ≈ 20 đối với sợi quang phủ acrylate tiêu chuẩn (IEC 60793-1-33 yêu cầu n ≥ 18), trên 100 đối với sợi quang phủ carbon kín khí. Do quy luật lũy thừa đó, giảm một nửa ứng suất sẽ nhân thời gian đến khi hỏng lên khoảng 2²⁰ ≈ 10⁶ lần, đây là lý do vì sao quy tắc 20 % cho tuổi thọ gần như vô hạn trong khi một sợi quang giữ ở 60 % mức thử ứng suất có thể đứt chỉ sau vài tháng. Mô hình tuổi thọ được nêu trong IEC TR 62048.

Uốn cong tạo ra lực căng ở mặt ngoài của chỗ uốn: biến dạng ε = r / R với r = 62,5 µm (bán kính phần thủy tinh).

Bán kính uốn cong R	Biến dạng trên bề mặt ngoài	Kết luận dài hạn cho sợi quang tiêu chuẩn
30 mm	0,21 %	số vòng không giới hạn trong suốt tuổi thọ — mức tối thiểu kinh điển
15 mm	0,42 %	chấp nhận được với vài vòng (phạm vi G.657.A1); cần lưu ý suy hao quang trên G.652
10 mm	0,63 %	đạt yêu cầu quang học của G.657.A2/B2; về cơ học vẫn ổn với vài vòng trong 20 năm theo IEC 62048
7,5 mm	0,83 %	đạt yêu cầu quang học của G.657.B3; về cơ học chỉ chịu được vài vòng, không phải một cuộn
5 mm	1,25 %	vượt quá biến dạng thử ứng suất — đứt gãy trong vòng vài năm
Gập khúc tại điểm ghim hoặc nắp khay bị kẹp	vài %	đứt trong vòng vài ngày đến vài tuần

Các cơ chế lão hóa và hư hỏng

Cơ chế	Nguyên nhân	Dấu hiệu	Cách phòng ngừa
Gãy cơ học (mỏi tĩnh)	uốn cong gấp, lực căng dư, bị kẹp trong khay, bị ghim, pigtail bị xoắn	đứt sau vài tuần hoặc vài năm kể từ khi lắp đặt, luôn tại một chỗ uốn cong hoặc điểm bị kẹp	giữ đúng bán kính uốn cong, không để sợi trần chịu lực căng trong măng xông, lưu trữ phần dư đúng cách
Lão hóa do hydro	H₂ khuếch tán vào thủy tinh; tại các khiếm khuyết nó tạo thành OH (suy hao vĩnh viễn tại 1383 và 1240 nm cùng một mức tăng trải rộng) hoặc hòa tan (các đỉnh có thể phục hồi); nguồn phát sinh: ăn mòn điện hóa của giáp kim loại và thành phần chịu lực, gel bị phân hủy, bộ lặp cáp biển	độ dốc suy hao tăng lên, nặng nhất tại 1383 nm và từ 1550 nm trở lên	sợi G.652.D hiện đại vượt qua phép thử lão hóa hydro của IEC; sợi quang pha phospho thế hệ cũ (trước năm 1990) rất nhạy cảm; dùng cáp điện môi, không trộn lẫn kim loại
Nước và băng giá	nước lọt vào ống hoặc măng xông; băng hình thành ép chặt sợi quang → uốn cong vi mô; lớp phủ trương nở dài hạn; mỏi diễn ra nhanh hơn	suy hao tăng theo mùa vào mùa đông tại 1550/1625 nm, măng xông bị ướt, băng chặn nước bị trương nở	măng xông kín, vật liệu chặn nước dạng khô, không có điểm trũng trong ống dẫn, có thoát nước
Nhiệt độ	vật liệu cáp co lại khi lạnh → uốn cong vi mô; nhiệt làm suy giảm gel và lớp phủ	+0,05–0,2 dB/km tại −40 °C trên một số loại cáp; suy hao tăng bậc tại các điểm nóng trong tủ	dùng đúng định mức nhiệt độ của cáp; dùng cáp định mức ngoài trời cho môi trường ngoài trời
Suy hao do bức xạ	bức xạ ion hóa tạo ra các tâm màu; lõi pha germani và phospho sẫm màu, sau đó phục hồi một phần	dB/km tăng theo liều bức xạ; nặng nhất ở bước sóng ngắn	sợi lõi silica tinh khiết pha flo (1–2 dB/km mỗi kGy thay vì hàng chục), che chắn, chiếu xạ trước
Tia UV và thời tiết	ánh nắng làm giòn vỏ cáp; vỏ cáp treo trên không bị phấn hóa và nứt	vỏ bọc bị nứt, nước xâm nhập	dùng polyethylene đen ổn định UV cho môi trường ngoài trời
Suy giảm lớp phủ	gel không tương thích, dung môi, dung dịch vệ sinh sai loại, quá nhiệt	lực tuốt lớp phủ thay đổi, suy hao do uốn cong vi mô, bong tách lớp	dùng dung dịch vệ sinh được phê duyệt, gel tương thích, tuân thủ giới hạn nhiệt độ của cáp
Cháy lan sợi quang (fibre fuse)	ở mức công suất khoảng trên 1–1,5 W trong sợi đơn mode, một điểm nhiễm bẩn hoặc đầu nối hỏng có thể mồi một luồng plasma chạy ngược về phía nguồn với tốc độ khoảng 1 m/s	sợi quang bị phá hủy với một chuỗi khoang rỗng tuần hoàn; mất toàn bộ đoạn tuyến ngay lập tức	giới hạn công suất, giữ sạch đầu nối công suất cao, dùng thiết bị phát hiện cháy lan trong hệ thống Raman (Hiệu ứng phi tuyến)
Động vật gặm nhấm, mối, sét, va chạm xe cộ, súng săn bắn vào cáp treo	tác động từ bên ngoài	đứt và dập nát	giáp bảo vệ, thiết kế điện môi, tiếp địa, khoảng cách an toàn (Bảo trì và khôi phục)
Mòn đầu nối	mỗi lần ghép nối làm mài mòn mặt đầu nối; mảnh vụn gây xước	suy hao và hệ số phản xạ tăng dần sau hàng trăm lần ghép nối	500–1 000 lần ghép nối cho mỗi đầu nối; thay dây nhảy và cassette, soi kiểm tra trước khi ghép
Lão hóa ống bảo vệ mối hàn và măng xông	ống co nhiệt bền hàng chục năm; gel của mối hàn cơ khí khô dần trong 10–20 năm; gioăng măng xông cứng lại	hệ số phản xạ tại mối hàn cơ khí, nước lọt vào măng xông	dùng hàn nhiệt cho các mối nối vĩnh viễn, bịt kín lại măng xông khi kiểm tra
Gel di chuyển	gel nhỏ giọt trong các đoạn đi thẳng đứng trong nhà, làm bẩn khay hàn	măng xông lộn xộn, lớp phủ bị hư hại	dùng cáp khô trong nhà và trong trục cáp đứng

Tuổi thọ của từng bộ phận

Bộ phận	Tuổi thọ điển hình	Yếu tố giới hạn
Sợi thủy tinh	25–40 năm hoặc hơn; sợi quang thập niên 1980 vẫn đang mang lưu lượng	khiếm khuyết dưới ứng suất, hydro trong sợi quang cũ
Lớp phủ	25–30 năm	hóa chất, nhiệt
Cáp ngoài trời trong ống dẫn	25–40 năm	vỏ cáp, khả năng chặn nước
Cáp chôn trực tiếp	25–30 năm	đất dịch chuyển, động vật gặm nhấm, đào trúng cáp
Cáp treo trên không	20–25 năm	mỏi do băng giá và gió, tia UV, va chạm xe cộ
Cáp trong nhà	trên 25 năm	do cải tạo công trình nhiều hơn là do lão hóa
Đầu nối	tính theo số lần ghép nối và mức nhiễm bẩn, không tính theo năm	500–1 000 lần ghép nối
Măng xông	20–25 năm nếu được bịt kín lại định kỳ	gioăng, nước
Mối hàn cơ khí	10–20 năm	gel khô dần
Bộ chia quang, bộ lọc WDM	trên 20 năm	keo epoxy và chất kết dính ở nhiệt độ cực trị
Dây nhảy quang	5–10 năm	thao tác, uốn cong, mòn mặt đầu nối
Tài liệu	cho đến lần thay đổi đầu tiên không được ghi lại	do quy trình, không phải vật lý (Tài liệu và ghi nhãn)

Sợi quang theo từng thời kỳ: những gì có thể kỳ vọng

Thời điểm lắp đặt	Sợi quang điển hình	Giới hạn đối với dịch vụ ngày nay
Trước năm 1985	đa mode 50 và 62,5 µm, đơn mode thế hệ đầu với 0,5–1 dB/km và OH cao	chỉ 1310 nm; 100 Mbit/s–1G
1985–1995	G.652.A/B; PMD 0,5–2 ps/√km; đỉnh hấp thụ nước cao; một số pha phospho, nhạy cảm với hydro	10G tới 25–100 km tùy theo PMD; không có 40G NRZ; không có băng E; coherent vẫn hoạt động được (Đặc trưng hóa sợi quang)
1995–2005	G.652.B/C; G.653 dịch tán sắc trên một số tuyến đường dài; G.655 trên các tuyến đường dài mới; OM1 62,5 µm có mặt khắp nơi trong nhà	G.653 phá hỏng DWDM băng C (trộn bốn sóng) — hãy dùng băng L hoặc khoảng cách kênh không đều; OM1 chỉ đạt 33 m ở 10G
2005–2015	G.652.D đỉnh hấp thụ nước thấp; OM3/OM4; G.657 trong FTTH	phù hợp cho 100G/400G coherent và CWDM 10G trên cả 18 bước sóng
Từ năm 2015 trở đi	OM5, G.654.E cho coherent trên mặt đất, lớp phủ 200 µm, ribbon dạng cuộn, kháng uốn cong ở khắp nơi	800G coherent, PAM4 400G trên OS2

Thiết kế dự trữ cho lão hóa

Biện pháp thiết kế	Định mức điển hình
Dự trữ lão hóa trong quỹ công suất tuyến	1 dB mỗi liên kết, hoặc 0,05 dB/km trên các tuyến dài (Quỹ công suất tuyến)
Dự trữ cho sửa chữa	0,1 dB cho mỗi mối hàn dự kiến phát sinh trong tương lai, 2–4 lần sửa chữa mỗi 100 km trong suốt tuổi thọ
Suy giảm của đầu nối	0,2 dB mỗi cặp trong suốt tuổi thọ
Sợi quang dự phòng	20–50 % số lượng sợi, hoặc lên mức số lượng tiêu chuẩn kế tiếp
Cáp điện môi	tại khu vực dễ bị sét đánh, dọc theo đường dây điện và nơi kim loại dễ bị ăn mòn
Cáp khô trong nhà và trong trục cáp đứng	không có hiện tượng gel di chuyển
Giá trị tham chiếu và xu hướng	OTDR và DDM khi đưa vào vận hành, so sánh hằng năm (Bảo trì và khôi phục)

Trong CodingBox

Thứ khác cũng lão hóa trên một liên kết chính là laser. Dòng phân cực tăng dần trong khi công suất ra không đổi là dấu hiệu module sắp hết tuổi thọ; CodingBox đọc và theo dõi xu hướng dòng phân cực Tx. Công suất thu suy giảm chậm trong khi Tx và dòng phân cực của đầu xa đều ổn định là dấu hiệu lão hóa của hạ tầng — đầu nối, măng xông, nước — chứ không phải của module (Dòng phân cực Tx và lão hóa laser, DDM trong ứng dụng).

Nếu bạn phát hiện thông tin chưa chính xác hoặc lỗi trong bài viết này, hãy chọn đoạn liên quan và nhấn Ctrl+Enter để .