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标记档案:光纤特性 

  1. 如何说“纤维极客”|第 3 条:光纤可靠性

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    欢迎回来,纤维极客! 

    本系列的第 1 篇文章重点介绍了光纤因弯曲而导致的带宽需求和衰减的增长,以及散射和吸收的内置机制。第 2 条重点介绍了光纤中存在的几种色散类型。 

    本文是该系列的第三篇,将重点介绍纤维强度和可靠性。 

    光纤可靠性

     除了专门用于短期使用的产品外,使用寿命和耐用性通常对用户来说非常重要。对于光纤,成缆光纤的安装通常既耗时又非常昂贵,因此可靠性和使用寿命可能更为重要。 

    从历史上看,这导致了对光纤寿命的大量关注,尽管在过去 30 到 40 年中光纤制造材料一直在不断改进,但即使是一些第一批光纤电缆的寿命也令人印象深刻。 

    与大多数其他纤维特性不同,我们在这里处理的是难以测量且耗时的统计特性,并且无法预测单个纤维的确切寿命。 

    因此,这与其他产品的寿命考虑没有什么不同,但故障后果通常可能更严重。 

    Fiber 以出色的可靠性而著称,而这并非靠运气。对于大多数最终用户来说,光纤只是有效的,他们并没有过多考虑这个话题。但是,这种性能是基于对玻璃机械性能到分子水平的深刻理解。研究人员的整个职业生涯都在获取这种理解并将这些知识转化为产品设计、制造和安装建议。 

    为什么纤维会断裂?

    首先,当测量直径到直径时,原始玻璃光纤比钢更坚固。尽管玻璃的实际固有强度会因样品制备而异,但与冷轧钢的 70,000-85,000 PSI 相比,它通常大于 700,000 磅/平方英寸 (PSI)。 

     尽管玻璃非常坚固,但它很脆,因此无法在不破裂的情况下进行大量拉伸。缺陷和机械缺陷可能会显着削弱玻璃,即使是小到几分之一微米的杂质也会如此。 

    为了将杂质的数量限制在绝对最低限度,OFS 使用合成二氧化硅来制造我们的玻璃。因此,合成二氧化硅 (SiO2) 由纯度达到十亿分之几的超纯化学品制成,而光纤的实际纤芯纯度达到十亿分之十。这就像在装满好大米的 20 英尺标准集装箱中只允许一种坏米粒。通过保持如此极高的玻璃纯度,可最大程度地降低因杂质导致纤维变弱的风险。其他制造方法可能无法提供与成品玻璃纤维类似的高纯度。 

     

    但杂质并不是导致纤维断裂的唯一原因。玻璃表面通常包含许多不同大小的裂缝。对于玻璃纤维表面也是如此,当应力施加到纤维上时,裂缝会变得更大。正如预期的那样,与仅对光纤施加小应力相比,光纤上的大应力会导致光纤裂纹和其他缺陷的增长速度更快。 

    裂缝增长的速度可能存在巨大差异,这可能并不总是很明显。稍后再谈。 

    另一个看似不明显的问题是,只要弯曲光纤,应力也会施加到光纤上。如图 3 所示,光纤弯曲的最外表面将被拉伸并产生张力——而最内表面将被压缩。压缩不会导致纤维表面的裂缝变大——但张力会。 

    沿着光纤长度施加的张力(通常通过拉动光纤)似乎更明显,也会导致裂纹和缺陷的增长。 

     

     

    当裂缝或瑕疵变大时,纤维的强度会降低,因为现在较小的纤维横截面将纤维固定在一起。因此,与仅包含小(或没有)裂纹的原始光纤相比,具有大裂纹或缺陷的光纤将在较低的应变下断裂。 

    为确保光纤中不存在大的裂纹或缺陷,在实际制造光纤后增加了一个称为“验证测试”的制造步骤。在验证测试期间,光纤的每 1 – 2 米部分都会受到相对较大的应变。大到使纤维长 1%。在如此大的应变下,纤维中的裂纹和缺陷会迅速增长,如果裂纹足够大,纤维就会断裂。这可确保在验证测试后光纤中不再存在大的裂纹或缺陷。然而,小裂纹和缺陷仍会存在,这就是玻璃生产方法如此重要的原因。玻璃越纯,长期出现问题的可能性就越小。 

     

    验证测试本身很简单。光纤通常绕着一个带 1 kg 重物的滑轮引导,以进行 100 kpsi 验证测试(图 6)。 

    用于海底电缆的光纤通常经过更严格的验证测试(2% 伸长率),以确保更好的使用寿命性能。 

    经过 1% (100 kpsi) 验证测试并用于标准应用和电缆结构的未损坏光纤将具有非常长的使用寿命 - 通常为 40 年或更长。但是光纤可能会损坏。如果在验证测试之前发生这种情况,光纤就会断裂,问题就消除了。

    但是,在极少数情况下,可能会发生验证测试后光纤损坏的情况。纤维缠绕在卷轴上以方便和安全地处理和运输,如果缠绕的纤维“包装”在某种程度上受到机械冲击的影响 - 例如如果纤维卷轴意外掉落并撞到桌子的角落 - 这可能会产生很大的纤维表面出现裂纹,纤维可能突然不再具有预期的强度。 

    同样,光纤的实际玻璃表面可能会被“划伤”——可能会在光纤表面留下大裂缝。这种划痕可能有不同的原因,但其中最明显的原因可能是用于剥离玻璃纤维涂层的工具可能会无意中在纤维表面造成划痕。此外,如果光纤被强压在它们上面,尖锐的小物体可能会穿透光纤涂层 - 再次可能刮伤玻璃纤维表面。 

    在“松套管”电缆结构中,光纤被放置在塑料管中,塑料管螺旋缠绕在电缆芯上。这种螺旋结构确保在安装过程中,在应变传递到实际光纤之前,电缆可以被拉长——从而拉长——相当多。其效果与经典的“螺旋”电话听筒线相同,它可以延长很长一段距离,而不会对线中的铜线施加额外的压力。 

    大多数光缆结构在将任何额外的应变传输到光纤本身之前,同样能够“吸收”光缆上的显着应变,并且通常情况下,总是为光缆指定这样的“最大拉力”——尽管可能会使用不同的名称。 

    然而,如果例如重型机械过度拉伸电缆部分,实际纤维无意中受到过大的张力,导致纤维表面裂纹快速增长,则确实存在小风险。因此,光纤寿命可能会缩短——可能不会在光缆或光纤本身上留下痕迹。然而,凭借现代设备、培训和知识,光纤损坏问题非常罕见。 

    在某些情况下,热变化可能会导致电缆相对于闭合件移动,这可能会使纤维不时承受额外的张力。 

    由于许多光缆结构中存在螺旋结构,光纤有效地位于沿整个光缆长度的大直径弯曲处。此外,通常的做法是在熔接盒中以 50 毫米或 60 毫米的线圈盘绕少量多余的光纤。因此,实际上,光纤在其使用寿命期间几乎总是处于恒定但很小的应力之下。由于弯曲直径通常很大,因此未损坏光纤的寿命仍然很长。因此,高质量纤维在这种条件下的断裂风险可以忽略不计。对于向成千上万的用户传输信号的电缆来说,这是一项非常重要的功能。

    然而,对于损坏的光纤,可能会出现相当令人费解的情况。光纤可能完全安装,控制测量,所有参数可能看起来都很好。然而,由于损坏,纤维可能包含相当大的裂纹,这些裂纹可能扩展并因此削弱纤维。即使使用常用的光缆结构和接头盒,损坏的光纤也可能很快断裂。当安装时一切似乎都井井有条时,甚至在此后没有人真正接触过光纤时,光纤断裂可能会在安装几个月后开始出现。 

    一些光缆专门用于需要小弯曲直径的应用。这可能是将电缆引入到手机信号塔或 5G 小基站——尤其是用于安装在家庭和公寓中的电缆,在这些地方,能够将电缆紧密地围绕门框、窗户和天花板布置是很重要的,以便使电缆成为尽可能不可见。可以使用细至 0.6 毫米的电缆,弯曲半径可达 2.5 毫米,同时保持的故障风险仍远小于典型电子消费设备的故障风险。 

    图 8) 显示了典型寿命测试的结果。当光纤以不同直径弯曲时,该测试记录了高质量光纤的寿命。需要注意的是,使用寿命在很大程度上取决于弯曲半径。对于测试中的光纤,通过将弯曲半径从 1.0 mm 更改为 1.8 mm,寿命从 1 分钟更改为 40 年。虽然很长的寿命预测往往有些可疑,但很明显,2.5 毫米的弯曲半径——就像推荐用于一些超弯曲不敏感光纤的弯曲半径——仍然会提供很长的寿命。 

    然而,对于用户来说,在合理的时间段内预测预期故障的数量可能更有趣,而不是关注生命周期。例如,计算机硬盘驱动器的特征通常是年故障率 (AFR),表示一年内预期的平均故障数。一些调查显示,大约 1% 的此类故障预计会在一年内发生。 

    为了与光纤进行比较,并使用国际公认的寿命模型,在公寓内使用的光纤电缆,例如半径为 2.5 毫米的 12 个四分之一圆弯曲,30 年内的预期故障率为 45 ppm。即 0.0045% 的故障风险超过 30 年(不仅仅是 1 年)。 

    因此,在弯曲半径低至 2.5 毫米的典型室内家庭安装中,光纤电缆的故障风险仍然比我们在日常生活中了解和使用的典型家用电子设备低得多。而且由于非常罕见的光纤断裂只会影响少数用户,因此使用细电缆和 2.5 毫米半径弯曲安装几乎不可见的电缆的可能性超过了许多用户的小故障风险。

  2. 关注关键光学参数衰减

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    本系列的第一篇文章重点介绍了一些带宽需求驱动因素和介绍 标准信息.本文将重点介绍关键光学参数,从 光衰减.本系列的其他文章侧重于其他光学参数,包括 色散和偏振模色散、剪接损失和非线性效应介绍。

    光纤波长带

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    光纤中有三种主要的损耗机制,我们将简要讨论每一种。这些衰减机制是:

    • 散射
    • 吸收
    • 弯曲

    散射

    第一种机制是光纤中光的“瑞利散射”。这种机制对光纤的基线衰减贡献最大。一定量的光在玻璃中散射。用最简单的术语来说,散射光就是不再被引导通过光纤,而是在其他随机方向上传播的光(一个有趣的旁注是 OTDR 通过使用在光纤中向后散射的光来测量损耗所以设备只需要连接到光纤的一端)。由于一些光不能通过玻璃向前传播,因此会发生损耗。经典衰减曲线具有与 1/λ4 成正比的衰减关系,并由瑞利散射的特性驱动。瑞利散射是玻璃密度微小波动的结果 光纤 当阳光从大气中的分子散射时,它与天空呈现蓝色的机制相同。

    玻璃的散射相关衰减特性由玻璃中使用的材料决定,并在光纤制造过程中被冻结。

    吸收 衰减

    杂质可能会吸收或反射光。这就是为什么纤维制造商如此密切关注玻璃所用材料的质量和制造过程中的清洁度。小到几分之一微米的颗粒可以大到足以吸收足够的光以增加损耗。

    除了颗粒,纤维制造过程中使用的原材料中的杂质本身也会增加损耗。这是因为羟基 (OH) 离子是制造过程的副产品。它吸收大约 1383 nm 波长范围内的光。

    右图显示了三种不同等级光纤在整个波长范围内的损耗性能。

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    弯曲

    弯曲是一个非常重要的机制。布线过程和现场安装会影响弯曲引起的衰减。

    让我们回到光纤 101。光纤使用全内反射的概念来引导光。纤芯和包层的折射率分布决定了光的导引方式,术语“临界角”用于描述反射转为折射以及光从光纤中损失的时间。简而言之,当光纤被紧紧弯曲时,光会丢失。

    弯曲有两种主要模式——宏弯曲和微弯曲。

    虽然这两种弯曲的最终结果都是衰减,但其机制和表现方式各不相同。

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    微弯和宏弯出现在网络中的其他方式

    微观和宏观弯曲的概念以并不总是很明显的方式影响网络。

    在低温环境中有时也会遇到与弯曲相关的损耗。因此,光纤和光缆认证应始终包括测试以了解产品在低温下的性能。作为网络设计人员,对于低温下潜在的小幅衰减增加,至少考虑一些光学裕度总是一个好主意。

    帮助正在路上

    好消息是,光纤制造商开发出的光纤可以承受不同程度的弯曲,同时与满足 ITU G.652.D 建议的传统光纤相比还降低了损耗。这些光纤称为弯曲不敏感或弯曲优化光纤,由 ITU 建议 G.657 定义。

    对于网络设计者和安装者来说,对各种衰减机制的透彻了解有助于网络规划和安装过程,从而实现正确的损耗预算并为应用使用合适的产品。

    在大多数情况下,衰减是最重要的网络参数,本文为您提供了足够的背景知识,使您能够顺利进入有关该主题的光纤领域。然而,光纤极客是一个旅程,而不是一个目的地,而且总是有更多的东西需要学习。 OFS 在光纤网络方面拥有数十年的经验。如果您想了解有关本文中任何项目的更多信息,请联系您当地的 OFS 代表。

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    新利18APP作者:

    马克·博克瑟 - OFS 解决方案和应用工程技术经理

    马克·博克瑟 是 OFS 的解决方案和应用工程技术经理。在此职位上,他协助客户在世界各地的各种网络设计场景中部署光纤,并分析推动新产品创新的电信市场趋势。 Mark 拥有佐治亚理工学院的 BME 学位,并在纤维行业度过了 30 多年的职业生涯。他的经验包括在基于纤维的产品和市场的制造和应用工程方面担任过各种角色。其他活动包括六项美国专利的发明者、IEEE 电力工程学会光纤工作组的成员和前任秘书、光纤宽带协会 (FBA)(前身为 FTTH 委员会)技术委员会的贡献成员和 FBA 的董事会成员。