Materijal koji se koristi za proizvodnju optičkih vlakana može apsorbirati svjetlosnu energiju. Nakon što čestice u optičkim vlaknima apsorbiraju svjetlosnu energiju, one proizvode vibracije i toplinu te raspršuju energiju, što rezultira gubitkom apsorpcije.Ovaj članak će analizirati gubitak apsorpcije optičkih vlakana.
Znamo da se materija sastoji od atoma i molekula, a atomi se sastoje od atomskih jezgri i izvannuklearnih elektrona, koji se okreću oko atomske jezgre u određenoj orbiti. To je baš kao što se Zemlja na kojoj živimo, kao i planeti poput Venere i Marsa, okreću oko Sunca. Svaki elektron ima određenu količinu energije i nalazi se u određenoj orbiti, ili drugim riječima, svaka orbita ima određenu energetsku razinu.
Orbitalne energetske razine bliže atomskoj jezgri su niže, dok su orbitalne energetske razine dalje od atomske jezgre više.Veličina razlike energetskih razina između orbita naziva se razlika energetskih razina. Kada elektroni prijeđu s niske energetske razine na višu energetsku razinu, moraju apsorbirati energiju na odgovarajućoj razlici energetskih razina.
U optičkim vlaknima, kada se elektroni na određenoj energetskoj razini ozrače svjetlošću valne duljine koja odgovara razlici energetskih razina, elektroni smješteni na niskoenergetskim orbitalama prijeći će na orbitale s višim energetskim razinama.Ovaj elektron apsorbira svjetlosnu energiju, što rezultira gubitkom svjetlosti zbog apsorpcije.
Osnovni materijal za proizvodnju optičkih vlakana, silicijev dioksid (SiO2), sam apsorbira svjetlost, jednu nazvanu ultraljubičasta apsorpcija, a drugu infracrvena apsorpcija. Trenutno, optička komunikacija općenito radi samo u rasponu valnih duljina od 0,8-1,6 μm, pa ćemo raspraviti samo o gubicima u ovom radnom području.
Apsorpcijski vrh generiran elektronskim prijelazima u kvarcnom staklu je oko 0,1-0,2 μm valne duljine u ultraljubičastom području. Kako valna duljina raste, njegova apsorpcija postupno se smanjuje, ali zahvaćeno područje je široko, dosežući valne duljine iznad 1 μm. Međutim, UV apsorpcija ima mali utjecaj na kvarcna optička vlakna koja rade u infracrvenom području. Na primjer, u području vidljive svjetlosti na valnoj duljini od 0,6 μm, ultraljubičasta apsorpcija može doseći 1dB/km, što se smanjuje na 0,2-0,3dB/km na valnoj duljini od 0,8 μm, a samo oko 0,1dB/km na valnoj duljini od 1,2 μm.
Gubitak infracrvene apsorpcije kvarcnih vlakana generiran je molekularnim vibracijama materijala u infracrvenom području. Postoji nekoliko vrhova apsorpcije vibracija u frekvencijskom pojasu iznad 2 μm. Zbog utjecaja različitih dopirajućih elemenata u optičkim vlaknima, nemoguće je da kvarcna vlakna imaju prozor s niskim gubitkom u frekvencijskom pojasu iznad 2 μm. Teoretski granični gubitak na valnoj duljini od 1,85 μm iznosi ldB/km.Istraživanjem je također utvrđeno da postoje neke „destruktivne molekule“ koje uzrokuju probleme u kvarcnom staklu, uglavnom štetne nečistoće prijelaznih metala poput bakra, željeza, kroma, mangana itd. Ti „zlikovci“ pohlepno apsorbiraju svjetlosnu energiju pod utjecajem svjetla, skačući i skačući okolo, uzrokujući gubitak svjetlosne energije. Uklanjanje „uzročnika problema“ i kemijsko pročišćavanje materijala koji se koriste za proizvodnju optičkih vlakana može uvelike smanjiti gubitke.
Drugi izvor apsorpcije u kvarcnim optičkim vlaknima je hidroksidna (OH⁻) faza. Utvrđeno je da hidroksid ima tri apsorpcijska vrha u radnom pojasu vlakna, a to su 0,95 μm, 1,24 μm i 1,38 μm. Među njima, gubitak apsorpcije na valnoj duljini od 1,38 μm je najteži i ima najveći utjecaj na vlakno. Na valnoj duljini od 1,38 μm, gubitak apsorpcijskog vrha generiran hidroksidnim ionima s udjelom od samo 0,0001 iznosi čak 33dB/km.
Odakle dolaze ti hidroksidni ioni? Postoje mnogi izvori hidroksidnih iona. Prvo, materijali koji se koriste za proizvodnju optičkih vlakana sadrže vlagu i hidroksidne spojeve koje je teško ukloniti tijekom procesa pročišćavanja sirovine i na kraju ostaju u obliku hidroksidnih iona u optičkim vlaknima; Drugo, spojevi vodika i kisika koji se koriste u proizvodnji optičkih vlakana sadrže malu količinu vlage; Treće, voda se stvara tijekom procesa proizvodnje optičkih vlakana zbog kemijskih reakcija; Četvrto je da ulazak vanjskog zraka donosi vodenu paru. Međutim, proizvodni proces se sada razvio do znatne razine, a sadržaj hidroksidnih iona smanjen je na dovoljno nisku razinu da se njegov utjecaj na optička vlakna može zanemariti.
Vrijeme objave: 23. listopada 2025.