EuroWire March 2015

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Articolo tecnico
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un’apparecchiatura dell’autore utilizzando
una lunghezza di riferimento di 10m per
illustrare una gamma di difetti incontrati
nelle fibre ottiche.
La figura mostra due zone: la zona
I (resistenza intrinseca) e la zona II
(resistenza estrinseca). La curva illustra le
zone principali che richiedono di essere
caratterizzate per predire l’affidabilità a
lungo termine della fibra. La zona I è la
zona di alta resistenza intrinseca. La fibra
studiata mostrava la resistenza intrinseca
del vetro a ~4,6GPa, che è notevolmente
superiore al limite di 3,1GPa raccomandato
dalla norma Telecordia Gr-20.
La prova di resistenza con una lunghezza
di riferimento breve in questa zona
può essere utilizzata per determinare il
valore n, che è maggiore di 20 per la fibra
esaminata.
La resistenza intrinseca e i valori n sono
tipicamente specificati dagli utilizzatori
finali per garantire l’affidabilità a lungo
termine del cavo.
Sfortunatamente, la porzione estrinseca
indicata come zona II, gioca un ruolo
importante nella caratterizzazione
dell’affidabilità a lungo termine del cavo
ottico. Questa zona contiene difetti più
prossimi al livello di prova e sono spaziati
ad una distanza che può essere anche di
parecchi chilometri.
Con il tempo, questi difetti possono
sfociare in rotture della fibra se il cavo
viene tenuto sotto tensione.
La comprensione di questa zona richiede
informazioni che si possono ottenere
solamente misurando molti chilometri di
fibra. Livelli di prova più alti consentiranno
di eliminare alcuni dei difetti più
importanti della fibra.
Tuttavia, è difficile determinare con
precisione l’effetto sull’affidabilità della
fibra ottica in un cavo installato senza
maggiori informazioni sulla distribuzione
generale dei difetti nella fibra.
Un modo per spiegare questo potrebbe
essere sottoporre un cavo di fibra ottica
ad una prova a un livello prossimo alla
resistenza intrinseca della fibra o a circa
3,8GPa (550kpsi).
Se si sottoponesse un campione di fibra di
1.000m prodotta da questo esperimento
ad uno sforzo constante di 110kpsi,
probabilmente la fibra si romperebbe in
meno di un giorno, o molto prima dei
40 anni di durata prevista.
Questo esempio rappresenta un caso
estremo, ma evidenzia l’importanza
di capire le complesse equazioni che
governano l’affidabilità.
4 Istruzioni del
rapporto tecnico IEC
sull’affidabilità
Uno dei modelli di affidabilità accettato
correntemente è stato pubblicato dalla
IEC[4]. Una delle equazioni indicate in
questo rapporto viene utilizzata per
predire la durata della fibra - l’equazione
della durata per la fibra ottica dopo averla
testata (proof-test). Questa può essere
rappresentata dalla seguente espressione:
Dove:
tf è il tempo che precede il guasto (durata)
tp è il tempo di prova (proof-test)
σp è la tensione di prova (proof-test)
σa è la tensione applicata
F è la probabilità di guasto
N p è l’indice di rottura durante la prova
L è la lunghezza sotto tensione
md è il parametro m Weibull della fatica
dinamica
n è il parametro di tensocorrosione
L’espressione è complessa, tuttavia si
possono fare alcune osservazioni.
La Figura 1 mostra che quanto maggiore
è la tensione applicata, tanto maggiore
è la probabilità di guasto. Ne consegue
che il termine di probabilità di guasto
nell’equazione, F, è in rapporto diretto con
il termine di sforzo applicato, σa.
La regola empirica tradizionale utilizzata
per ottenere il 20 per cento della tensione
di prova come carico massimo ammissibile
a lungo termine presuppone che queste
due variabili siano indipendenti, il che non
è coerente con la Figura 1.
È necessario sottoporre a prova
centinaia di chilometri di fibra per una
conoscenza approfondita della relazione
fra la frequenza di guasto e la tensione
applicata.
La Tabella 1 presenta i risultati comparativi
di tre scenari. Il primo è costituito da una
fibra testata a 0,69GPa con un carico a
lungo termine del 20 per cento del carico
di prova (proof-test).
Per generare i dati, sono stati sostituiti i
seguenti valori nell’ Equazione 1:
n d =20
md = 2,5
tp = 0,05 secondi
Np = 1 rottura ogni 250km
La tabella mostra che una fibra ottica che
soddisfa i criteri conservativi di cui sopra
presenterebbe prestazioni meccaniche
ragionevoli per il test a 0,69GPa al 20 per
cento del livello di prova. Il secondo caso
mostra che la stessa fibra è stata mantenuta
a un 40 per cento del livello di prova.
In questo caso, la frequenza di guasto
di 1ppm verrebbe raggiunta in meno di
un anno. Il terzo caso è costituito da una
fibra testata a 1,38GPa con carico a lungo
termine del 20 per cento del livello di
prova. In queste specifiche condizioni, la
probabilità di guasto di 1ppm si verifica in
meno di sei anni.
Va notato che i dati della Tabella 1
sono rappresentativi della fibra in un
ambiente non aggressivo. I termini quali
l’invecchiamento in assenza di tensione, le
macrocurvature, l’abrasione e altri fattori
possono ridurre notevolmente la durata
della fibra.
5 Discussione
La durata della fibra è la somma della
probabilità di guasto intrinseco ed
estrinseco. Il presente articolo esamina in
particolare lunghi tratti di fibra sottoposti
a carico assiale in un regime in cui il guasto
è dominato da guasti estrinseci.
I risultati illustrati nella Tabella 1
evidenziano l’errore nel requisito comune
per i cavi ottici, in base al quale il carico
a lungo termine nelle fibre ottiche è
semplicemente pari al 20 per cento del
livello di prova.
Se l’indice di rottura della fibra fosse lo
stesso per le fibre provate a 0,69GPa
e 1,38GPa, allora entrambe le fibre
avrebbero la medesima durata di 1ppm.
I dati della Figura 1 indicano che non
è questo il caso. Alla luce di questa
conoscenza, i risultati dell’analisi cambiano
radicalmente.
Probabilità di
guasto di 1km di
fibra ottica
Fibra testata a
0,69GPa al 20 per
cento di carico a
lungo termine
Fibra testata a
0,69GPa al 40 per
cento di carico a
lungo termine
Fibra testata a
1,38GPa al 20 per
cento del carico a
lungo termine
1,0ppm per km 1,600 anni 0.0 anni 530 anni*
1,0ppm per 100km 16 anni 0.0 anni 5.3 anni*
* La frequenza del guasto varia notevolmente modificando i valori di prova (proof-test)
da 0,69GPa a 1,38GPa
▲
▲ Tabella 1 : Comparazione fra probabilità di guasto (durata di 1 ppm)