Матеріал, що використовується для виготовлення оптичних волокон, може поглинати світлову енергію. Після того, як частинки в оптичних волоконних матеріалах поглинають світлову енергію, вони створюють вібрацію та тепло, розсіюючи енергію, що призводить до втрат поглинання.У цій статті буде проаналізовано втрати поглинання оптичних волоконних матеріалів.
Ми знаємо, що матерія складається з атомів і молекул, а атоми складаються з атомних ядер і позаядерних електронів, які обертаються навколо атомного ядра по певній орбіті. Це так само, як Земля, на якій ми живемо, а також такі планети, як Венера і Марс, обертаються навколо Сонця. Кожен електрон має певну кількість енергії та знаходиться на певній орбіті, або, іншими словами, кожна орбіта має певний енергетичний рівень.
Рівні орбітальної енергії ближче до атомного ядра нижчі, тоді як рівні орбітальної енергії далі від атомного ядра вищі.Величина різниці енергетичних рівнів між орбітами називається різницею енергетичних рівнів. Коли електрони переходять з низького енергетичного рівня на високий, їм потрібно поглинути енергію на відповідній різниці енергетичних рівнів.
В оптичних волокнах, коли електрони на певному енергетичному рівні опромінюються світлом з довжиною хвилі, що відповідає різниці енергетичних рівнів, електрони, розташовані на низькоенергетичних орбіталях, переходять на орбіталі з вищими енергетичними рівнями.Цей електрон поглинає світлову енергію, що призводить до втрати поглинання світла.
Основний матеріал для виготовлення оптичних волокон, діоксид кремнію (SiO2), сам поглинає світло, одне називається ультрафіолетовим поглинанням, а інше - інфрачервоним поглинанням. Наразі волоконно-оптичний зв'язок зазвичай працює лише в діапазоні довжин хвиль 0,8-1,6 мкм, тому ми обговоримо втрати лише в цій робочій області.
Пік поглинання, що генерується електронними переходами у кварцовому склі, має довжину хвилі близько 0,1-0,2 мкм в ультрафіолетовому діапазоні. Зі збільшенням довжини хвилі його поглинання поступово зменшується, але область впливу широка, досягаючи довжин хвиль понад 1 мкм. Однак, УФ-поглинання мало впливає на кварцові оптичні волокна, що працюють в інфрачервоному діапазоні. Наприклад, у видимому діапазоні світла на довжині хвилі 0,6 мкм ультрафіолетове поглинання може досягати 1 дБ/км, яке зменшується до 0,2-0,3 дБ/км на довжині хвилі 0,8 мкм і лише близько 0,1 дБ/км на довжині хвилі 1,2 мкм.
Втрати на поглинання інфрачервоного випромінювання кварцового волокна виникають внаслідок молекулярних коливань матеріалу в інфрачервоному діапазоні. У смузі частот вище 2 мкм спостерігається кілька піків поглинання коливань. Через вплив різних легуючих елементів в оптичних волокнах, кварцові волокна не можуть мати низьке вікно втрат у смузі частот вище 2 мкм. Теоретична гранична втрата на довжині хвилі 1,85 мкм становить ldB/км.Під час досліджень також було виявлено, що деякі «руйнівні молекули», що викликають проблеми у кварцовому склі, головним чином шкідливі домішки перехідних металів, такі як мідь, залізо, хром, марганець тощо. Ці «лиходії» жадібно поглинають світлову енергію під впливом світла, стрибаючи та стрибаючи, що призводить до втрати світлової енергії. Усунення «порушників спокою» та хімічне очищення матеріалів, що використовуються для виробництва оптичних волокон, може значно зменшити втрати.
Ще одним джерелом поглинання в кварцових оптичних волокнах є фаза гідроксиду (OH⁻). Було виявлено, що гідроксид має три піки поглинання в робочій смузі волокна: 0,95 мкм, 1,24 мкм та 1,38 мкм. Серед них втрати поглинання на довжині хвилі 1,38 мкм є найбільшими та мають найбільший вплив на волокно. На довжині хвилі 1,38 мкм втрати піку поглинання, що генеруються гідроксид-іонами з вмістом лише 0,0001, сягають 33 дБ/км.
Звідки беруться ці гідроксид-іони? Існує багато джерел гідроксид-іонів. По-перше, матеріали, що використовуються для виробництва оптичних волокон, містять вологу та гідроксид-іонні сполуки, які важко видалити під час процесу очищення сировини, і зрештою вони залишаються у вигляді гідроксид-іонів в оптичних волокнах; по-друге, водневі та кисневі сполуки, що використовуються у виробництві оптичних волокон, містять невелику кількість вологи; по-третє, вода утворюється під час процесу виробництва оптичних волокон внаслідок хімічних реакцій; по-четверте, потрапляння зовнішнього повітря приносить водяну пару. Однак, виробничий процес зараз значно розвинувся, і вміст гідроксид-іонів знизився до достатньо низького рівня, що його вплив на оптичні волокна можна знехтувати.
Час публікації: 23 жовтня 2025 р.