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광섬유 네트워크를 구축할 때 투자 수익률(ROI)을 계산하는 핵심 요소 중 하나는 얼마나 오랫동안 운영될 수 있는가입니다. 실제로 영국에서는 일부 구리 네트워크가 140년 동안 운영되어 왔지만, 현재의 형태로는 오늘날의 고속 광대역 수요를 충족하지 못할 수도 있습니다.
광섬유는 본질적으로 구리보다 더 취약합니다. 광섬유는 특수한 종류의 유리(용융 실리카)로, 일반적인 인장 강도가 구리의 절반에도 미치지 못합니다. 용융 실리카는 겉보기에는 약하고 부서지기 쉬운 것처럼 보이지만, 올바르게 가공하고 시험하고 사용하면 매우 내구성이 뛰어난 것으로 입증되었습니다.
재료의 내구성을 평가하려면 다음과 같은 특성을 고려하는 것이 좋습니다.
초기 강도
분해 속도
그것을 약화시킬 수 있는 결함
그것을 약화시킬 수 있는 시약
광학 수명 - 실리카는 여전히 만족스럽게 기능할 수 있어야 합니다.
이를 염두에 두고, 광섬유 네트워크의 수명에 영향을 미치는 네 가지 요소가 있습니다.
1. 표면 결함
결함이 없는 깨끗한 석영 유리는 열화에 매우 강합니다. 그러나 상업적으로 생산되는 모든 광섬유는 특정 조건에서 재료의 수명을 단축시키는 표면 결함(작은 미세 균열)을 가지고 있습니다. 여기서 중요한 요소는 응력 강도 계수 "K"이며, 이는 가해진 응력과 균열 깊이의 제곱근과 관련이 있습니다. 즉, 작은 결함을 가진 "실제" 광섬유는 처음에는 결함이 느리게 성장하다가 나중에는 빠르게 성장하여 파손됩니다.
이를 극복하기 위해 평판이 좋은 섬유 공급업체는 "검증 테스트"를 실시합니다. 이는 섬유를 미리 설정된 수준(일반적으로 1%)까지 특정 기간 동안 늘려서 더 큰 결함을 의도적으로 깨는 것입니다.
2. 저하 감소
그러면 사용자는 불필요한 손상으로부터 보호해야 할 더 작고 적은 결함이 있는 섬유를 사용하게 됩니다. 이는 섬유의 1차 코팅을 보호하고 내구성이 뛰어난 소재로 코팅하여 새로운 결함의 발생을 막는 것을 의미합니다.
3. 설치 변형률
응력이 광섬유 수명에 큰 영향을 미친다는 것을 알고 있기에, 보호 작업은 케이블 설치 업체에 위임합니다. 케이블 설치 업체는 적절한 강도 요소를 사용하여 케이블에 가해지는 응력을 1% 내력 시험 수준보다 훨씬 낮게 제한합니다. 설치 업체는 설치 과정에서 케이블에 과도한 응력이 가해지지 않도록 해야 합니다.
일반적으로 사용되는 세 가지 기법, 즉 당기기, 밀기, 불어내기 중 당기는 것만이 바람직하지 않은 신장(인장 응력)을 발생시킵니다. 금속과 달리 유리는 압축으로 인한 피로를 겪지 않으므로, 밀 때 발생하는 가벼운 압축은 섬유에 해를 끼치지 않습니다.
4. 환경적 요인
일단 설치되면 주변 환경은 섬유 수명에 큰 영향을 미칩니다. 높은 온도는 균열 성장을 가속화할 수 있지만, 역사적으로 가장 우려되는 것은 수분의 존재입니다. 응력 하에서 균열 성장은 수분에 의해 촉진되어 "응력 부식"을 유발합니다.
섬유의 응력 부식 경향은 "응력 부식 민감도 매개변수"(편의상 "n"이라고 함)를 통해 확인할 수 있습니다. 높은 n 값(약 20)은 섬유와 코팅의 내구성을 나타냅니다.
네트워크가 얼마나 오래 지속될지 계산
위의 네 가지 요소를 고려할 때, 광섬유 네트워크의 수명은 어떻게 계산할 수 있을까요? 이를 위해 네트워크 기획자는 두 가지 요소를 고려해야 합니다.
Weibull 분포를 사용하여 광섬유에 결함이 어떻게 분포되는지
일반적으로 제조업체에서 수행하는 섬유 강도 테스트 결과
(예측된) 결함 분포와 균열 성장 이론을 결합하여 여러 가지 광섬유 수명 모델을 생성했으며, 여기에서 확인할 수 있습니다.
일반적으로 이러한 모델은 20년에서 40년 사이의 특정 수명 기간 동안 주어진 광섬유 km당 고장 확률을 제공합니다. 1단계 광섬유가 올바르게 설치된 경우, 해당 기간 동안 고장 확률은 10만 분의 1 정도입니다.
반면, 같은 기간 동안 파기와 같은 수동 작업으로 인해 광섬유가 손상될 확률은 약 1,000분의 1입니다. 따라서 적절한 조건에서 신중한 설치자와 안전한 기술로 설치된 고품질 광섬유는 방해받지 않는 한 매우 안정적일 것입니다.
케이블 길이 자체가 "본질적으로" 파손되는 경우는 드물지만, 케이블과 접합부 유형이 제대로 맞지 않아 섬유가 움직이는 접합부에서 파손이 발생한 사례가 있습니다. 예를 들어 온도 변화로 인해 섬유가 과도하게 응력을 받아 결국 파손되는 경우가 있습니다.
현장에서 얻은 증거
최초의 대규모 광섬유 시스템이 1980년대 초에 구축된 것을 고려하면, 그 결과는 어떠했을까요? 다행히 지난 35년 동안 1등급 부품을 사용하여 올바르게 설치된 시스템에서 대규모 광섬유 고장이 발생한 적은 없습니다. 파손이 발생했지만, 주로 광섬유가 케이블에서 제거되어 허용 굽힘 반경 아래로 구부러진 부분에서 발생했습니다.
사실, 섬유를 올바르게 보관하고 꼬아 놓으면 처음 생각했던 것보다 훨씬 더 강해질 가능성이 크며, 시간이 지나고 낮은 응력 수준에서 물에 노출되면 원래의 결함이 치유되기 시작할 수도 있습니다.
다른 블로그에서 살펴보았듯이, 광섬유의 정교하게 설계된 신뢰성에 가장 큰 적은 용융 실리카 자체보다는 사람이나 동물일 수 있습니다. 이러한 비기술적인 문제는 차치하더라도, 광섬유 네트워크 자체는 업그레이드된 광전자 기술을 통해 앞으로도 오랫동안, 어쩌면 구리 네트워크만큼 오랫동안 작동할 가능성이 매우 높습니다!
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