EuroWire March 2015

Artículo técnico

Esta probabilidad no es constante y puede variar en fibra fabricadas en diferentes condiciones o usando diferentes materias primas. La Figura 1 muestra una curva de probabilidad de fallo para una fibra de silicio generada por uno de los equipos del autor usando una longitud de ensayo de 10m para ilustrar la gama de fallos encontrados en las fibras ópticas. La figura muestra dos zonas: la zona I (resistencia intrínseca) y la zona II (resistencia extrínseca). La curva ilustra las zonas principales que necesitan ser caracterizadas para predecir la fiabilidad a largo plazo de la fibra. La zona I es la zona de alta resistencia intrínseca. La fibra estudiada mostraba la resistencia inherente del vidrio a ~4,6GPa, que está significativamente por encima del límite de 3,1GPa recomendado en Telecordia Gr-20. La prueba de resistencia en una longitud de ensayo corta en esta zona puede ser usada para determinar el valor n, que es mayor de 20 para la fibra estudiada. La resistencia intrínseca y los valores n son típicamente especificados por usuarios finales para asegurar la fiabilidad a largo plazo del cable. Desafortunadamente, la porción extrín- seca mostrada como zona II juega un papel importante en la caracterización de la fiabilidad a largo plazo del cable óptico. Esta zona contiene fallos más cercanos al nivel de prueba que son espaciados a una frecuencia que puede tener kilómetros de distancia. Con el tiempo, pueden dar lugar a roturas de la fibra si se queda el cable bajo tensión. Para comprender esta zona se requiere información que se puede obtener solamente midiendo muchos kilómetros de fibra. Con niveles de prueba más altos se eliminarán algunos de los fallos más importantes en la fibra. Sin embargo, el efecto en la fiabilidad de la fibra óptica de un cable instalado es difícil de determinar con precisión sin más información sobre la distribución general de los fallos en la fibra. Un modo para ilustrar esto podría ser probar un cable de fibra óptica a un nivel cercano al de la resistencia intrínseca de la fibra o a aproximadamente 3,8GPa (550kpsi). Si se dejara una muestra de fibra de 1.000m generada en dicho experimento sometida a un esfuerzo constante de 110kpsi, la fibra probablemente se rompería en menos de un día, o mucho antes de los 40 años de vida esperados. Este ejemplo es un caso extremo, pero reasalta la importancia de comprender las complejas ecuaciones que gobiernan la fiabilidad.

Fibra probada a 0,69GPa al 20 por ciento de carga a largo plazo

Fibra probada a 0,69GPa al 40 por ciento de carga a largo plazo

Fibra probada a 1,38GPa al 20 por ciento de carga a largo plazo

Probabilidad de fallo de 1km de fibra óptica

1,0ppm por km

1,600 años

0.0años 0.0 años

530 años*

1,0ppm por 100km 5.3 años* * La frecuencia de fallo varía mucho con el cambio de los valores de prueba ( proof test ) cuando se pasa de 0,69GPa a 1,38GPa ▲ ▲ Tabla 1 : Comparación entre probabilidades de fallo (vida útil 1ppm) 16 años

Para generar los datos se sustituyeron los valores siguientes en la Ecuación 1 : n d = 20 m d = 2,5 t p = 0,05 segundos N p = 1 rotura cada 250km La tabla muestra que una fibra óptica que cumple con los criterios conservativos anteriores tendría un rendimiento mecánico razonable para los 0,69GPa al 20 por ciento del nivel de prueba. El segundo caso muestra que la misma fibra fue mantenida a un 40 por ciento del nivel del nivel de prueba. En este caso, la frecuencia de fallo de 1ppm sería alcanzado en menos de un año. El tercer caso es una fibra probada a 1,38GPa con carga a largo plazo del 20 por ciento del nivel del nivel de prueba. En estas condiciones, la probabilidad de fallo de 1ppm se alcanza en menos de seis años. Nótese que los datos de la Tabla 1 se refieren a la fibra en un ambiente no agresivo. Los términos como envejecimiento en ausencia de tensión, macrocurvaturas, abrasión y otros factores pueden reducir en mucho la vida útil de la fibra. 5 Consideraciones La vida útil de la fibra es la suma de la probabilidad de fallo intrínseco y extrínseco. Este artículo se centra en tramos largos de fibra bajo carga axial en un régimen donde el fallo es dominado por fallos extrínsecos. Los resultados ilustrados en la Tabla 1 resaltan el error del requisito común para cables ópticos, que afirma que la carga a largo plazo en fibras ópticas es simplemente igual a un 20 por ciento del nivel de prueba. Si el índice de rotura de la fibra fuera el mismo para las fibras probadas a 0,69GPa y 1,38GPa, entonces ambas fibras tendrían la misma vida útil de 1ppm. Los datos de la Figura 1 indican que no es este el caso. Cuando se incluye este conocimiento en el análisis, los resultados cambian drásticamente.

4 Instrucciones del

informe técnico de la IEC sobre fiabilidad

Uno de los modelos de fiabilidad aceptado corrientemente ha sido publicado por la IEC [4] . Una de las ecuaciones encontradas en este informe es usada para predecir la vida útil de la fibra - la ecuación de la vida útil para la fibra óptica después de probarla ( proof test ) - puede ser representada por la expresión siguiente: Donde: t f es el tiempo antes de fallar (vida útil) t p es el tiempo de prueba ( proof test ) σ p es la tensión de prueba ( proof test ) σ a es la tensión aplicada F es la probabilidad de fallo N p es el índice de rotura de la prueba L es la longitud bajo tensión m d es el parámetro m Weibull de la fatiga dinámica n es el parámetro de corrosión por esfuerzo La ecuación es compleja, pero se pueden hacer algunas observaciones. La Figura 1 muestra que cuanto mayor es la tensión aplicada, mayor es la probabilidad de fallo. Por lo tanto, el término de probabilidad de fallo en la ecuación, F, está directamente relacionado con el término de tensión aplicada, σ a . La regla empírica convencional que se ha usado para obtener el 20 por ciento de la tensión de prueba como carga máxima permitida a largo plazo supone que estas dos variables son independientes, lo que no es coherente con la Figura 1 . Es necesario probar cientos de kilómetros de fibra para comprender plenamente la relación entre frecuencia de fallo y tensión aplicada. La Tabla 1 compara los resultados de los tres escenarios. En el primero se prueba una fibra a 0,69GPa con carga a largo plazo del 20 por ciento de la carga de la prueba ( proof test ).

117

www.read-eurowire.com

Marzo de 2015