Прочность и долговечность волоконных световодов на основе кварцевого стекла

В заключительной части пятой главы проведены оценки сроков службы волоконных световодов с герметичными покрытиями. Показано, что рост дефектов в процессе разгрузки при перемотке под нагрузкой так же, как и у световодов с полимерным покрытии, приводит к существенному снижению минимальной инертной прочности световода после перемотки (до уровня 0,5% от напряжения контрольной перемотки). Тем не менее, благодаря высокой (>100) величине параметра статической усталости n, вероятность появления на световоде длиной 100 км хотя бы одного дефекта с прочностью ниже напряжения контрольной перемотки, составляет 8.5х10-13 (если среднее число обрывов при контрольной перемотке составляет 0,1 обрыва/км). Поэтому допустимая эксплуатационная нагрузка для обеспечения 30-летнего срока службы такого световода может составлять до 78% от уровня контрольной перемотки, в то время как для световодов в полимерном покрытии (как следует из таблицы 1) эксплуатационная нагрузка не должна превышать уровень 1/5-1/7 от напряжения контрольного испытания.

Заключение

1. Проведено комплексное исследование явления статической усталости кварцевого стекла (кинетики роста исходных дефектов размером от 2-3 нм до 1-2 мкм) в световодах с полимерным покрытием в присутствии влаги в широком диапазоне скоростей нагружения (от статической нагрузки до нагружения со скоростью 104 ГПа/сек). Экспериментально подтвержден эффект ограничения скорости распространения трещины (в диапазоне 10-4-10-3 м/сек) скоростью диффузии влаги к вершине трещины. Показано, что область медленного роста трещин (менее 10-4 м/сек) имеет более сложную зависимость от нагрузки, чем общепринятый простой степенной закон.

2. Экспериментально установлено, что образцы волоконных световодов с исходными дефектами разной природы (царапины, вплавленные частицы, трещины от индента) и с разным уровнем исходной прочности имеют близкие параметры статической усталости при одинаковой величине напряжений в вершине трещины, формируемой исходным дефектом. Это дает возможность проводить общие оценки срока службы световодов, не принимая во внимание конкретную природу дефектов.

3. Дано физическое объяснение несоответствия предсказаний вероятности разрушения световодов в линиях связи реальному количеству отказов при их эксплуатации. Показано, что при использовании общепринятых методик оценки срока службы световодов, базирующихся на простом степенном законе скорости роста трещин, требования к величине допустимой эксплуатационной нагрузки на световоды в протяженных (более 1 км) линиях связи значительно завышались. Разработаны физические основы для оценок срока службы волоконных световодов с учетом сложной зависимости скорости роста трещин от нагрузки, которые позволяют адекватно оценивать надежность волоконных световодов в линиях связи и волоконно-оптических приборах.

4. Разработана технология нанесения на волоконный световод герметичного металлического покрытия. С использованием оловянного покрытия впервые в мире удалось повысить прочность световодов до ~ 11-13 ГПа, что в 2-2,5 раза выше максимальной прочности обычных световодов (5-6 ГПа). Показано, что попадание под герметичное покрытие даже очень малого количества влаги приводит к существенному снижению прочности, а также снижению величины параметра статической усталости (так называемого параметра «n»).

5. Разработана технология нанесения на волоконные световоды герметичного углеродного покрытия. Установлена причина сравнительно низких значений (3,5-4,5 ГПа) максимальной прочности таких световодов, изготовленных зарубежными производителями: хрупкое углеродное покрытие растрескивается во время измерения прочности при относительном удлинения ~ 5-7%, что вызывает разрушение световода в целом. Оптимизация процесса нанесения углерода на световод (подбор состава реагентов и температуры нанесения) позволила улучшить эластичность углеродного покрытия и впервые достигнуть рекордного значения прочности 6,1 ГПа при сохранении герметичности покрытия. Показано, что толщина углеродного покрытия на световоде должна быть не менее 50 нм, так как при толщинах углеродного покрытия, использовавшихся ранее (~ 25 нм) не удается гарантированно защитить поверхность световода в местах дефектов, выдерживающих контрольную перемотку под нагрузкой.

6. Проведены теоретические оценки возможности спонтанного роста дефектов в кварцевом стекле в отсутствие действия влаги за счет термофлуктуационного разрыва напряженных Si-O связей в вершине трещины. Впервые показано, что параметр статической усталости n для световодов в герметичном покрытии достигает значений 135-155, а их прочность (при комнатной температуре) в 2-2,5 раза выше прочности световодов в полимерном покрытии. Данные оценки были экспериментально подтверждены результатами измерений прочности и статической усталости световодов в герметичном металлическом покрытии.

Литература

1. В.А. Богатырев, М.М. Бубнов, Н.Н. Вечканов, А.Н. Гурьянов, Е.М. Дианов, С.Л. Семенов. - Влияние воды на прочность волоконных световодов. - Квантовая электроника, 1984, т. 11, № 7, с. 1467-1469.

2. В.А. Богатырев, М.М. Бубнов, С.Л. Семенов. - Методы оценки срока службы волоконных световодов. - Квантовая электроника, 1984, т.11, стр. 2370-2372.

3. V.A. Bogatyrjov, M.M. Bubnov, A.N. Guryanov, N.N. Vechkanov, G.G. Devyatykh, E.M. Dianov, S.L. Semjonov. - Influence of various pH solutions on strength and dynamic fatigue of silicone-resin-coated optical fibers. - Electronics letters, 1986, v. 22, No. 19, pp. 1013-1014.

4. В.А. Богатырев, М.М. Бубнов, Н.Н. Вечканов, А.Н. Гурьянов, Е.М. Дианов, С.Л. Семенов. - Прочность стеклянных волоконных световодов большой длины. - Сб. Труды ИОФАН СССР, т.5, - М.: Наука, 1987, с. 60-72.

5. В.А. Богатырев, М.М. Бубнов, Е.М. Дианов, А.М. Прохоров, С.Д. Румянцев, С.Л. Семенов. - Высокопрочные световоды в герметичном покрытии. - Письма в ЖТФ, 1988, т.14, № 9, pp.769-773.

6. В.А. Богатырев, М.М. Бубнов, Е.М. Дианов, С.Д. Румянцев, С.Л. Семенов. - Прочность световодов в металлическом покрытии. - Радиотехника, т. 9, стр.82-83 (1988).

7. В.А. Богатырев, М.М. Бубнов, С.Д. Румянцев, С.Л. Семенов. - Механическая прочность и надежность волоконных световодов для систем оптической связи. - Proc. XV International Congress on Glass, Leningrad, 1989, v.2b, pp. 295-298.

8. В.А. Богатырев, М.М. Бубнов, С.Д. Румянцев, С.Л. Семенов. - Механическая надежность волоконных световодов. - Сб. Труды ИОФАН СССР, т.23, - М.: Наука, 1990, с. 66-93.

9. M.M. Bubnov, E.M. Dianov, S.L. Semjonov. - The effect of ammonia on the strength of polymer-coated fibres. - Soviet Lightwave Communications, 1993, v. 3, No. 2, pp. 119-123.

10. V.A. Bogatyrev, M.M. Bubnov, E.M. Dianov, S.D. Rumyantsev, S.L. Semjonov, - Mechanical reliability of polymer-coated and hermetically coated optical fibers based on proof testing. - Optical Engineering, 1991, v.30, No.6 , pp. 690-699.

11. A. Abramov, M. Bubnov, E. Dianov, S. Semjonov.- Prospects in application of hermetically coated fibers in submarine optical cables.- Proc. Conference on Submarine Cables (SUBOPTIC'93), Versaille, France, 1993, pp.315-319.

12. M.M. Bubnov, E.M. Dianov, S.L. Semjonov. - Maximum value of fatigue parameter n for hermetically coated silica glass fibers. - Proc. Optical Fiber Commun. Conf. (OFC'92), paper ThF-2, 1992, p. 216.

13. M.M. Bubnov, E.M. Dianov, S.L. Semjonov. - Maximum values of strength and fatigue parameter n for hermetically coated optical fibers. - Proc. 41st Int. Wire & Cable Symp., 1992, pp. 629-636.

14. M.M. Bubnov, E.M. Dianov, S.L. Semjonov. - Influence of residual water on the strength of metal coated optical fibers. - Material Research Soc. Symp., 1992, v. 244, 97-101.

15. M.M. Bubnov, E.M. Dianov, S.L. Semjonov, A.N. Guryanov, G.G. Devjatykh. - Static fatigue of metal-coated fibers. - Proc. XVI International Congress on Glass, Madrid, 1992, v.4, pp. 21-26.

Размещено на Allbest.ru