Materialet som används för att tillverka optiska fibrer kan absorbera ljusenergi. Efter att partiklar i optiska fibermaterial absorberat ljusenergi producerar de vibrationer och värme, och avger energin, vilket resulterar i absorptionsförlust.Den här artikeln kommer att analysera absorptionsförlusten hos optiska fibermaterial.
Vi vet att materia består av atomer och molekyler, och atomer består av atomkärnor och extranukleära elektroner, som roterar runt atomkärnan i en viss bana. Detta är precis som jorden vi lever på, liksom planeter som Venus och Mars, alla kretsar kring solen. Varje elektron har en viss mängd energi och befinner sig i en viss bana, eller med andra ord, varje bana har en viss energinivå.
Orbitalenerginivåerna närmare atomkärnan är lägre, medan orbitalenerginivåerna längre bort från atomkärnan är högre.Storleken på energinivåskillnaden mellan banor kallas energinivåskillnaden. När elektroner övergår från en låg energinivå till en hög energinivå måste de absorbera energi vid motsvarande energinivåskillnad.
I optiska fibrer, när elektroner vid en viss energinivå bestrålas med ljus med en våglängd som motsvarar energinivåskillnaden, kommer elektroner som ligger på lågenergiorbitaler att övergå till orbitaler med högre energinivåer.Denna elektron absorberar ljusenergi, vilket resulterar i absorptionsförlust av ljus.
Grundmaterialet för tillverkning av optiska fibrer, kiseldioxid (SiO2), absorberar i sig ljus, det ena kallat ultraviolett absorption och det andra kallat infraröd absorption. För närvarande fungerar fiberoptisk kommunikation i allmänhet endast i våglängdsområdet 0,8–1,6 μm, så vi kommer bara att diskutera förlusterna inom detta arbetsområde.
Absorptionstoppen som genereras av elektroniska övergångar i kvartsglas ligger runt 0,1-0,2 μm våglängd i det ultravioletta området. Allt eftersom våglängden ökar minskar absorptionen gradvis, men det påverkade området är brett och når våglängder över 1 μm. UV-absorption har dock liten effekt på kvartsfibrer som arbetar i det infraröda området. Till exempel, i det synliga ljusområdet vid en våglängd på 0,6 μm kan ultravioletta absorptionen nå 1 dB/km, vilket minskar till 0,2-0,3 dB/km vid en våglängd på 0,8 μm, och endast cirka 0,1 dB/km vid en våglängd på 1,2 μm.
Infraröd absorptionsförlust hos kvartsfibrer genereras av materialets molekylära vibration i det infraröda området. Det finns flera vibrationsabsorptionstoppar i frekvensbandet över 2 μm. På grund av påverkan av olika dopningselement i optiska fibrer är det omöjligt för kvartsfibrer att ha ett lågt förlustfönster i frekvensbandet över 2 μm. Den teoretiska gränsförlusten vid en våglängd på 1,85 μm är ldB/km.Genom forskning har man också upptäckt att det finns vissa "destruktiva molekyler" som orsakar problem i kvartsglas, främst skadliga föroreningar i form av övergångsmetaller som koppar, järn, krom, mangan etc. Dessa "skurkar" absorberar girigt ljusenergi under ljusets strålar, hoppar och hoppar runt, vilket orsakar en förlust av ljusenergi. Att eliminera "bråkstakar" och kemiskt rena de material som används för att tillverka optiska fibrer kan minska förlusterna avsevärt.
En annan absorptionskälla i kvartsoptiska fibrer är hydroxidfasen (OH-). Det har visat sig att hydroxid har tre absorptionstoppar i fiberns arbetsband, vilka är 0,95 μm, 1,24 μm och 1,38 μm. Bland dem är absorptionsförlusten vid våglängden 1,38 μm den allvarligaste och har störst inverkan på fibern. Vid en våglängd på 1,38 μm är absorptionstoppförlusten som genereras av hydroxidjoner med ett innehåll av endast 0,0001 så hög som 33 dB/km.
Varifrån kommer dessa hydroxidjoner? Det finns många källor till hydroxidjoner. För det första innehåller materialen som används för att tillverka optiska fibrer fukt och hydroxidföreningar, vilka är svåra att avlägsna under reningsprocessen för råmaterialet och slutligen kvarstår i form av hydroxidjoner i de optiska fibrerna. För det andra innehåller de väte- och syreföreningar som används vid tillverkning av optiska fibrer en liten mängd fukt. För det tredje genereras vatten under tillverkningsprocessen av optiska fibrer på grund av kemiska reaktioner. För det fjärde medför inflödet av yttre luft vattenånga. Tillverkningsprocessen har dock nu utvecklats till en avsevärd nivå, och innehållet av hydroxidjoner har reducerats till en tillräckligt låg nivå för att dess inverkan på optiska fibrer kan ignoreras.
Publiceringstid: 23 oktober 2025