光纤是光缆中很重要的组成材料之一,要进步光缆的使用寿数,很底子的是要进步光纤的使用寿数。影响光纤使用寿数的原因主要有:①光纤外表的微裂纹的存在和扩展;②大气环境中的水和水蒸气分子对光纤外表的浸蚀;③不合理敷设光缆时残留下来的应力长期效果等。因为上述原因,使得以石英玻璃为基础的光纤机械强度逐渐下降,衰耗渐渐增大,很后使光纤开裂,终止了光缆的使用寿数。
因为在纤维外表上总是会存在着微裂纹,在大气环境中发作慢裂纹成长,使裂纹不断地扩展,使光纤的机械强度逐渐退化。例如,一根125μm直径的石英光纤,通过3年的慢改变以后,使光纤的抗拉强度从180kpsi(相当于1530g抗拉强度),降到了60kpsi(相当于510g抗拉强度)。光纤这种慢改变而引起机械强度下降的原理是:当光纤外表有微裂纹(或缺点)时,在遭到外来应力的效果时,并不会立即开裂,只要施加应力到达裂纹的临界值时,纤维才会开裂。而石英纤维承遭到一个小于临界值的恒定应力时,外表裂纹会发作缓慢的扩展,使裂纹的深度到达开裂的临界值,这就是纤维机械强度退化的过程。石英光纤机械强度的退化是因为承遭到的应力与大气环境中的水和水蒸气分子浸蚀的联合效果造成的。
延伸光纤使用寿数的办法
当纤维在真空环境中,因为没有水分子存在,所以不会发作应力浸蚀,其疲惫参数n为很大值,光纤也具有很高的强度,这时的强度就是纤维的惰性强度,称之为Si。
光纤在使用环境中所具有的使用寿数ts与它所接受的应力σ和纤维的惰性强度Si之间有如下关系:
lgts=-nlgσ+lgB+(n-2)lgSi
上式中后面两项皆为常数,所以当承遭到的应力σ恒守时,纤维的使用寿数ts只与纤维的疲惫参数n值有关。n值愈大,光纤的寿数ts也愈长。因而,进步光纤的使用寿数有两种办法:
,当疲惫参数n一守时,纤维的寿数ts只与所承遭到的应力σ有关,因而,减小纤维承遭到的应力是进步光纤使用寿数的一种办法。当人们制作光纤时,在光纤外表上形成一种紧缩应力以对立所承遭到的张应力,使张应力减到尽可能小的程度,由此就产生了压应力包层技能来制作光纤。
若设光纤承遭到的应力为σa,寿数为t1,当光纤具有压应力σR包层时,光纤的寿数为t2:
t2= t1[(σa-σR)/σa]-n
其间,(σa-σR)为光纤真正承遭到的净应力。由此表明:具有压应力包层的光纤比一般光纤的寿数长得多。近年来就有人用掺GeO2石英做光纤外表的紧缩层,也有人用掺TiO2石英做光纤的外包层使光纤自身的抗拉强度从50kpsi进步到130kpsi(相当抗拉强度从430g进步到1100g),也使光纤的静态疲惫参数从n=20~25进步到n=130。
第二,进步光纤的静态疲惫参数n来进步光纤的使用寿数。因而,人们在制作光纤时,设法把石英纤维自身与大气环境阻隔开来,使之不受大气环境的影响,尽可能地把n值由环境材料参数转变为光纤材料自身的参数,就可以使n值变得很大,由此产生了在光纤外表的“密封被覆技能”。
近十年来,使用“密封被覆技能”来制作光纤取得了巨大进展。被覆材料由金属类扩展到金属氧化物、无机碳化物、无机氮化物、碳化物、氮氧化物和CVD沉积无定型碳。被覆层结构由单一的金属被覆层发展到密封被覆层与有机被覆层相结合的复合被覆层结构,使光纤更具有实际使用的价值,纤维的光学功能、机械功能和抗疲惫功能都有进步。例如:
① 金属被覆光纤:铝被覆光纤可接受1Gpa(150kpsi)的应力,浸没在水中实验,在350℃温度下使用,寿数在10年以上。
② 金属氧化物和其它无机物被覆的光纤:用C4H10与SiH4在纤维外表沉积成Si0.21O0.22C0.77的密封被覆层,并涂上有机层,纤维的n值可到达256。
③ 用氮化硼做密封被覆层的光纤:可接受200kpsi的拉力,n值可进步到100以上。又如用TIC密封被覆的光纤具有400~500kpsi的强度,可耐100℃的水。
④ 无定形碳密封被覆光纤:在无机被覆材料中,无定形碳被覆层不仅对光纤的光学功能和机械强度很少有损害效果,并且表现出杰出的抗水功能及抗氢功能。此项技能现已走向工业化生产。这种纤维的典型抗拉强度已到达500~600kpsi,动态n值为350~1000。在室温下25年后,碳密封被覆光纤中进入的氢只要普通光纤的1/10000;在光缆中,此类纤维可容许的氢压力比一般光纤高100倍。用此光纤可适当地下降成缆条件或在更高温度条件下使用。
使用纤维外表成长“压应力包层”和“密封被覆技能”后,光纤的寿数可用下式推出:
t2/t1=19.36×10IRσa7
式中,σa是施加的应力或使用应力。由此可算出σa与t2/t1的关系。这类光纤的使用寿数可达40年,可望用于海底光缆和军用通讯。