如何保證光纜的使用壽命
在長(zhǎng)途光纜通信系統(tǒng)中，光纖傳輸特性應(yīng)是長(zhǎng)期穩(wěn)定的,尤其是長(zhǎng)途干線直埋光纜和海底光纜系統(tǒng)，對(duì)光纜的長(zhǎng)壽命提出了更高的要求。一般對(duì)陸地光纜的使用壽命，希望有20年以上的使用期，而對(duì)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(shí)間平均要求為10年。因此，如何延長(zhǎng)光纜的使用壽命，怎樣正確的使用光纜，都是人們關(guān)心的重要技術(shù)課題,下面從光纜的結(jié)構(gòu)方面談?wù)勅绾窝娱L(zhǎng)光纜的使用壽命。
影響光纜中光纖壽命的三大因素
光纖是光纜中重要的組成材料之一，要提高光纜的使用壽命，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(kuò)大；②大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子對(duì)光纖表面的浸蝕；③不合理敷設(shè)光纜時(shí)殘留下來(lái)的應(yīng)力長(zhǎng)期作用等。由于上述原因，使得以石英玻璃為基礎(chǔ)的光纖機(jī)械強(qiáng)度逐漸降低，衰耗慢慢增大，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(huì)存在著微裂紋，在大氣環(huán)境中發(fā)生慢裂紋生長(zhǎng)，使裂紋不斷地?cái)U(kuò)大，使光纖的機(jī)械強(qiáng)度逐漸退化。例如，一根125μm直徑的石英光纖，經(jīng)過(guò)3年的慢變化以后，使光纖的抗拉強(qiáng)度從180kpsi（相當(dāng)于1530g抗拉強(qiáng)度），降到了60kpsi（相當(dāng)于510g抗拉強(qiáng)度）。光纖這種慢變化而引起機(jī)械強(qiáng)度降低的原理是：當(dāng)光纖表面有微裂紋（或缺陷）時(shí)，在受到外來(lái)應(yīng)力的作用時(shí)，并不會(huì)立即斷裂，只有施加應(yīng)力達(dá)到裂紋的臨界值時(shí)，纖維才會(huì)斷裂。而石英纖維承受到一個(gè)小于臨界值的恒定應(yīng)力時(shí)，表面裂紋會(huì)發(fā)生緩慢的擴(kuò)大，使裂紋的深度達(dá)到斷裂的臨界值，這就是纖維機(jī)械強(qiáng)度退化的過(guò)程。石英光纖機(jī)械強(qiáng)度的退化是由于承受到的應(yīng)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(zhǎng)光纖使用壽命的方法
當(dāng)纖維在真空環(huán)境中,由于沒(méi)有水分子存在,所以不會(huì)發(fā)生應(yīng)力浸蝕,其疲勞參數(shù)n為值，光纖也具有的強(qiáng)度，這時(shí)的強(qiáng)度就是纖維的惰性強(qiáng)度，稱(chēng)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(yīng)力σ和纖維的惰性強(qiáng)度Si之間有如下關(guān)系：
lgts=－nlgσ＋lgB＋(n－2)lgSi
上式中后面兩項(xiàng)皆為常數(shù)，所以當(dāng)承受到的應(yīng)力σ恒定時(shí)，纖維的使用壽命ts只與纖維的疲勞參數(shù)n值有關(guān)。n值愈大，光纖的壽命ts也愈長(zhǎng)。因此，提高光纖的使用壽命有兩種方法：
，當(dāng)疲勞參數(shù)n一定時(shí)，纖維的壽命ts只與所承受到的應(yīng)力σ有關(guān)，因此，減小纖維承受到的應(yīng)力是提高光纖使用壽命的一種方法。當(dāng)人們制造光纖時(shí) ，在光纖表面上形成一種壓縮應(yīng)力以對(duì)抗所承受到的張應(yīng)力，使張應(yīng)力減到盡可能小的程度，由此就產(chǎn)生了壓應(yīng)力包層技術(shù)來(lái)制造光纖。
若設(shè)光纖承受到的應(yīng)力為σa，壽命為t1，當(dāng)光纖具有壓應(yīng)力σR包層時(shí)，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(yīng)力。由此表明：具有壓應(yīng)力包層的光纖比一般光纖的壽命長(zhǎng)得多。近年來(lái)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(qiáng)度從50kpsi提高到130kpsi（相當(dāng)抗拉強(qiáng)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(lái)提高光纖的使用壽命。因此，人們?cè)谥圃旃饫w時(shí)，設(shè)法把石英纖維本身與大氣環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)，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(zhuǎn)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(shù)”。
近十年來(lái)，使用“密封被覆技術(shù)”來(lái)制造光纖取得了巨大進(jìn)展。被覆材料由金屬類(lèi)擴(kuò)展到金屬氧化物、無(wú)機(jī)碳化物、無(wú)機(jī)氮化物、碳化物、氮氧化物和CVD沉積無(wú)定型碳。被覆層結(jié)構(gòu)由單一的金屬被覆層發(fā)展到密封被覆層與有機(jī)被覆層相結(jié)合的復(fù)合被覆層結(jié)構(gòu)，使光纖更具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值，纖維的光學(xué)性能、機(jī)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(yīng)力，浸沒(méi)在水中實(shí)驗(yàn)，在350℃溫度下使用，壽命在10年以上。
② 金屬氧化物和其它無(wú)機(jī)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(jī)層，纖維的n值可達(dá)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(qiáng)度，可耐100℃的水。
④ 無(wú)定形碳密封被覆光纖：在無(wú)機(jī)被覆材料中，無(wú)定形碳被覆層不僅對(duì)光纖的光學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)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(xiàng)技術(shù)已經(jīng)走向工業(yè)化生產(chǎn)。這種纖維的典型抗拉強(qiáng)度已達(dá)到500～600kpsi，動(dòng)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(lèi)纖維可容許的氫壓力比一般光纖高100倍。用此光纖可適當(dāng)?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(zhǎng)“壓應(yīng)力包層”和“密封被覆技術(shù)”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(yīng)力或使用應(yīng)力。由此可算出σa與t2/t1的關(guān)系。這類(lèi)光纖的使用壽命可達(dá)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(shí)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(zhǎng)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(yīng)力
首先是纜芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一定要用松結(jié)構(gòu)，防止留下殘存的應(yīng)力，絞合光纜時(shí)要選擇合理的光纖余長(zhǎng)，也能減小張應(yīng)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(cè)壓、抗張力的能力；有些工廠在纜芯內(nèi)每隔一米就加一個(gè)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(qiáng)度元件，目的也是保護(hù)光纖，免除外張力的影響。后還要指出的一點(diǎn)，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(xué)性能。只有嚴(yán)格控制上述各道制造工藝的質(zhì)量，才可以延長(zhǎng)光纜的使用壽命。
當(dāng)然要延長(zhǎng)光纜的使用壽命還有一個(gè)重要因素就是光纜的敷設(shè)方式和施工過(guò)程，這方面的內(nèi)容較多也較復(fù)雜，應(yīng)單獨(dú)作為專(zhuān)題進(jìn)行論述 .
