Materiał używany do produkcji światłowodów może absorbować energię świetlną. Po pochłonięciu energii świetlnej cząsteczki w materiałach światłowodowych wytwarzają drgania i ciepło, a następnie rozpraszają energię, co powoduje straty absorpcyjne.W tym artykule przeanalizowano straty absorpcyjne materiałów światłowodowych.
Wiemy, że materia składa się z atomów i cząsteczek, a atomy z jąder atomowych i elektronów pozajądrowych, które krążą wokół jądra atomowego po określonej orbicie. Podobnie jest z Ziemią, na której żyjemy, a także z planetami takimi jak Wenus i Mars, które krążą wokół Słońca. Każdy elektron ma określoną ilość energii i znajduje się na określonej orbicie, czyli innymi słowy, każda orbita ma określony poziom energii.
Poziomy energii orbitalnej bliższe jądru atomowego są niższe, natomiast poziomy energii orbitalnej dalsze od jądra atomowego są wyższe.Wielkość różnicy poziomów energii między orbitami nazywana jest różnicą poziomów energii. Kiedy elektrony przechodzą z niskiego poziomu energii na wysoki poziom energii, muszą pochłonąć energię odpowiadającą różnicy poziomów energii.
W światłowodach, gdy elektrony na pewnym poziomie energetycznym zostaną napromieniowane światłem o długości fali odpowiadającej różnicy poziomów energetycznych, elektrony znajdujące się na orbitalach o niskiej energii przejdą na orbitale o wyższych poziomach energetycznych.Elektron ten pochłania energię świetlną, co powoduje utratę światła na skutek absorpcji.
Podstawowy materiał do produkcji światłowodów, dwutlenek krzemu (SiO2), sam w sobie pochłania światło, jedno z nich nazywane jest absorpcją ultrafioletową, a drugie absorpcją podczerwoną. Obecnie komunikacja światłowodowa działa głównie w zakresie długości fal 0,8–1,6 μm, dlatego omówimy straty tylko w tym obszarze.
Maksimum absorpcji generowane przez przejścia elektronowe w szkle kwarcowym znajduje się przy długości fali około 0,1-0,2 μm w zakresie ultrafioletu. Wraz ze wzrostem długości fali absorpcja stopniowo maleje, ale obszar ten jest szeroki, osiągając długości fali powyżej 1 μm. Absorpcja UV ma jednak niewielki wpływ na światłowody kwarcowe pracujące w zakresie podczerwieni. Na przykład, w zakresie światła widzialnego przy długości fali 0,6 μm absorpcja w ultrafiolecie może osiągnąć 1 dB/km, która spada do 0,2-0,3 dB/km przy długości fali 0,8 μm i tylko do około 0,1 dB/km przy długości fali 1,2 μm.
Strata absorpcji podczerwieni we włóknie kwarcowym jest generowana przez drgania molekularne materiału w zakresie podczerwieni. W paśmie częstotliwości powyżej 2 μm występuje kilka pików absorpcji drgań. Ze względu na wpływ różnych domieszek w światłowodach, włókna kwarcowe nie mogą mieć niskiego okna strat w paśmie częstotliwości powyżej 2 μm. Teoretyczna granica strat dla długości fali 1,85 μm wynosi 1 B/km.Badania wykazały również, że w szkle kwarcowym występują pewne „cząsteczki destrukcyjne”, które powodują problemy, głównie szkodliwe zanieczyszczenia metalami przejściowymi, takimi jak miedź, żelazo, chrom, mangan itp. Te „złoczyńcy” łapczywie pochłaniają energię świetlną pod wpływem światła, skacząc i podskakując, co powoduje utratę energii świetlnej. Wyeliminowanie „problematycznych” cząsteczek i chemiczne oczyszczenie materiałów używanych do produkcji światłowodów może znacznie zmniejszyć straty.
Innym źródłem absorpcji w światłowodach kwarcowych jest faza wodorotlenkowa (OH-). Stwierdzono, że faza wodorotlenkowa ma trzy piki absorpcyjne w paśmie roboczym włókna, wynoszące 0,95 μm, 1,24 μm i 1,38 μm. Spośród nich, strata absorpcyjna przy długości fali 1,38 μm jest największa i ma największy wpływ na światłowód. Przy długości fali 1,38 μm strata absorpcyjna generowana przez jony wodorotlenkowe o zawartości zaledwie 0,0001 wynosi aż 33 dB/km.
Skąd pochodzą jony wodorotlenkowe? Istnieje wiele źródeł jonów wodorotlenkowych. Po pierwsze, materiały używane do produkcji światłowodów zawierają wilgoć i związki wodorotlenkowe, które są trudne do usunięcia podczas procesu oczyszczania surowca i ostatecznie pozostają w postaci jonów wodorotlenkowych we włóknach optycznych; po drugie, związki wodoru i tlenu używane do produkcji światłowodów zawierają niewielką ilość wilgoci; po trzecie, podczas procesu produkcji światłowodów w wyniku reakcji chemicznych powstaje woda; po czwarte, dopływ powietrza zewnętrznego wprowadza parę wodną. Jednakże proces produkcyjny rozwinął się obecnie na znacznym poziomie, a zawartość jonów wodorotlenkowych została zredukowana do poziomu na tyle niskiego, że jej wpływ na włókna optyczne można zignorować.
Czas publikacji: 23-10-2025