在長途光纜通信系統(tǒng)中，光纖傳輸特性應是長期穩(wěn)定的，尤其是長途干線直埋光纜和海底光纜系統(tǒng)，對光纜的長壽命提出了更高的要求。一般對陸地光纜的使用壽命，希望有20年以上的安全使用期，而對海底光纜，則要求其使用壽命提高到25年以上，其故障間隔時間平均要求為10年。因此，如何延長光纜的使用壽命，怎樣正確的使用光纜，都是人們關心的重要技術課題，下面從光纜的結構方面談談如何延長光纜的使用壽命。
影響光纜中光纖壽命的三大因素
光纖是光纜中最重要的組成材料之一，要提高光纜的使用壽命，最根本的是要提高光纖的使用壽命。影響光纖使用壽命的原因主要有：①光纖表面的微裂紋的存在和擴大;②大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子對光纖表面的浸蝕;③不合理敷設光纜時殘留下來的應力長期作用等。由于上述原因，使得以石英玻璃為基礎的光纖機械強度逐漸降低，衰耗慢慢增大，最后使光纖斷裂，終止了光纜的使用壽命。
由于在纖維表面上總是會存在著微裂紋，在大氣環(huán)境中發(fā)生慢裂紋生長，使裂紋不斷地擴大，使光纖的機械強度逐漸退化。例如，一根125μm直徑的石英光纖，經(jīng)過3年的慢變化以后，使光纖的抗拉強度從180kpsi(相當于1530g抗拉強度)，降到了60kpsi(相當于510g抗拉強度)。光纖這種慢變化而引起機械強度降低的原理是：當光纖表面有微裂紋(或缺陷)時，在受到外來應力的作用時，并不會立即斷裂，只有施加應力達到裂紋的臨界值時，纖維才會斷裂。而石英纖維承受到一個小于臨界值的恒定應力時，表面裂紋會發(fā)生緩慢的擴大，使裂紋的深度達到斷裂的臨界值，這就是纖維機械強度退化的過程。石英光纖機械強度的退化是由于承受到的應力與大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子浸蝕的聯(lián)合作用造成的。
延長光纖使用壽命的方法
當纖維在真空環(huán)境中，由于沒有水分子存在，所以不會發(fā)生應力浸蝕，其疲勞參數(shù)n為最大值，光纖也具有最高的強度，這時的強度就是纖維的惰性強度，稱之為Si。光纖在使用環(huán)境中所具有的使用壽命ts與它所承受的應力σ和纖維的惰性強度Si之間有如下關系：lgts=-nlgσ+lgB+(n-2)lgSi上式中后面兩項皆為常數(shù)，所以當承受到的應力σ恒定時，纖維的使用壽命ts只與纖維的疲勞參數(shù)n值有關。n值愈大，光纖的壽命ts也愈長。
因此，提高光纖的使用壽命有兩種方法：
第一，當疲勞參數(shù)n一定時，纖維的壽命ts只與所承受到的應力σ有關，因此，減小纖維承受到的應力是提高光纖使用壽命的一種方法。當人們制造光纖時，在光纖表面上形成一種壓縮應力以對抗所承受到的張應力，使張應力減到盡可能小的程度，由此就產(chǎn)生了壓應力包層技術來制造光纖。
若設光纖承受到的應力為σa，壽命為t1，當光纖具有壓應力σR包層時，光纖的壽命為t2：t2=t1[(σa-σR)/σa]-n其中，(σa-σR)為光纖真正承受到的凈應力。由此表明：具有壓應力包層的光纖比一般光纖的壽命長得多。近年來就有人用摻GeO2石英做光纖表面的壓縮層，也有人用摻TiO2石英做光纖的外包層使光纖本身的抗拉強度從50kpsi提高到130kpsi(相當抗拉強度從430g提高到1100g)，也使光纖的靜態(tài)疲勞參數(shù)從n=20～25提高到n=130。
第二，提高光纖的靜態(tài)疲勞參數(shù)n來提高光纖的使用壽命。因此，人們在制造光纖時，設法把石英纖維本身與大氣環(huán)境隔絕開來，使之不受大氣環(huán)境的影響，盡可能地把n值由環(huán)境材料參數(shù)轉變?yōu)楣饫w材料本身的參數(shù)，就可以使n值變得很大，由此產(chǎn)生了在光纖表面的“密封被覆技術”。
近十年來，使用“密封被覆技術”來制造光纖取得了巨大進展。被覆材料由金屬類擴展到金屬氧化物、無機碳化物、無機氮化物、碳化物、氮氧化物和CVD沉積無定型碳。被覆層結構由單一的金屬被覆層發(fā)展到密封被覆層與有機被覆層相結合的復合被覆層結構，使光纖更具有實際應用的價值，纖維的光學性能、機械性能和抗疲勞性能都有提高。
例如：①金屬被覆光纖：鋁被覆光纖可承受1Gpa(150kpsi)的應力，浸沒在水中實驗，在350℃溫度下使用，壽命在10年以上。②金屬氧化物和其它無機物被覆的光纖：用C4H10與SiH4在纖維表面沉積成Si0.21O0.22C0.77的密封被覆層，并涂上有機層，纖維的n值可達到256。③用氮化硼做密封被覆層的光纖：可承受200kpsi的拉力，n值可提高到100以上。又如用TIC密封被覆的光纖具有400～500kpsi的強度，可耐100℃的水。④無定形碳密封被覆光纖：在無機被覆材料中，無定形碳被覆層不僅對光纖的光學性能和機械強度很少有損害作用，而且表現(xiàn)出良好的抗水性能及抗氫性能。此項技術已經(jīng)走向工業(yè)化生產(chǎn)。這種纖維的典型抗拉強度已達到500～600kpsi，動態(tài)n值為350～1000。在室溫下25年后，碳密封被覆光纖中滲入的氫只有普通光纖的1/10000;在光纜中，此類纖維可容許的氫壓力比一般光纖高100倍。用此光纖可適當?shù)亟档统衫|條件或在更高溫度條件下使用。
使用纖維表面生長“壓應力包層”和“密封被覆技術”后，光纖的壽命可用下式推出：t2/t1=19.36×10IRσa7式中，σa是施加的應力或使用應力。由此可算出σa與t2/t1的關系。這類光纖的使用壽命可達40年，可望用于海底光纜和軍用通信。
另有一些研究還表明，制造光纖時寧可用鍺(GeO2)和氟(F)作摻雜劑，也不用磷(P2O5)作摻雜劑，因磷的“親水(H2O)”性好，使光纖易受潮濕，引起纖芯內(nèi)部P-OH鍵吸收衰耗增大，使光纖緩慢變化。所以長使用壽命的光纖杜絕用磷作摻雜材料。
在制造光纜工藝中注意防潮防水，減少殘存的應力。首先是纜芯結構設計，一定要用松結構，防止留下殘存的應力，絞合光纜時要選擇合理的光纖余長，也能減小張應力的作用;在纜芯內(nèi)填充石油凝膠，目的是為了防潮、防水、防含氫化合物(污染液體)的浸蝕;使用涂塑鋼帶、鋁帶也是為了防潮，增加光纜的抗側壓、抗張力的能力;有些工廠在纜芯內(nèi)每隔一米就加一個熱熔膠的阻水層，防止纜芯縱向水的滲透;選用線膨脹系數(shù)小的材料作纜芯的強度元件，目的也是保護光纖，免除外張力的影響。最后還要指出的一點，就是制造光纜的每一種原材料，本身必須有30年以上的壽命，必須有高穩(wěn)定性的物理性能和化學性能。只有嚴格控制上述各道制造工藝的質(zhì)量，才可以延長光纜的使用壽命。
以上就是延長光纖光纜使用壽命的方法，希望對大家有幫助，如有疑問，請咨詢在線客服。
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