Το υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή οπτικών ινών μπορεί να απορροφήσει φωτεινή ενέργεια. Αφού τα σωματίδια στα υλικά οπτικών ινών απορροφήσουν φωτεινή ενέργεια, παράγουν δονήσεις και θερμότητα και διαχέουν την ενέργεια, με αποτέλεσμα την απώλεια απορρόφησης.Αυτό το άρθρο θα αναλύσει την απώλεια απορρόφησης των υλικών οπτικών ινών.
Γνωρίζουμε ότι η ύλη αποτελείται από άτομα και μόρια, και τα άτομα αποτελούνται από ατομικούς πυρήνες και εξωπυρηνικά ηλεκτρόνια, τα οποία περιστρέφονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα σε μια συγκεκριμένη τροχιά. Αυτό είναι ακριβώς όπως η Γη στην οποία ζούμε, καθώς και πλανήτες όπως η Αφροδίτη και ο Άρης, που περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο. Κάθε ηλεκτρόνιο έχει μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας και βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη τροχιά, ή με άλλα λόγια, κάθε τροχιά έχει ένα συγκεκριμένο επίπεδο ενέργειας.
Τα επίπεδα τροχιακής ενέργειας πιο κοντά στον ατομικό πυρήνα είναι χαμηλότερα, ενώ τα επίπεδα τροχιακής ενέργειας πιο μακριά από τον ατομικό πυρήνα είναι υψηλότερα.Το μέγεθος της διαφοράς ενεργειακών επιπέδων μεταξύ των τροχιών ονομάζεται διαφορά ενεργειακών επιπέδων. Όταν τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν από ένα χαμηλό ενεργειακό επίπεδο σε ένα υψηλό ενεργειακό επίπεδο, πρέπει να απορροφήσουν ενέργεια στην αντίστοιχη διαφορά ενεργειακών επιπέδων.
Στις οπτικές ίνες, όταν ηλεκτρόνια σε ένα ορισμένο ενεργειακό επίπεδο ακτινοβολούνται με φως μήκους κύματος που αντιστοιχεί στη διαφορά ενεργειακών επιπέδων, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε τροχιακά χαμηλής ενέργειας θα μεταβούν σε τροχιακά με υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα.Αυτό το ηλεκτρόνιο απορροφά φωτεινή ενέργεια, με αποτέλεσμα την απώλεια απορρόφησης φωτός.
Το βασικό υλικό για την κατασκευή οπτικών ινών, το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), απορροφά το ίδιο το φως, το ένα ονομάζεται απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίας και το άλλο ονομάζεται απορρόφηση υπέρυθρης ακτινοβολίας. Προς το παρόν, η επικοινωνία οπτικών ινών λειτουργεί γενικά μόνο στην περιοχή μήκους κύματος 0,8-1,6 μm, επομένως θα συζητήσουμε μόνο τις απώλειες σε αυτόν τον τομέα εργασίας.
Η κορυφή απορρόφησης που παράγεται από τις ηλεκτρονικές μεταβάσεις σε γυαλί χαλαζία είναι περίπου 0,1-0,2 μm μήκος κύματος στην υπεριώδη περιοχή. Καθώς το μήκος κύματος αυξάνεται, η απορρόφησή του μειώνεται σταδιακά, αλλά η επηρεαζόμενη περιοχή είναι ευρεία, φτάνοντας σε μήκη κύματος άνω του 1 μm. Ωστόσο, η απορρόφηση UV έχει μικρή επίδραση στις οπτικές ίνες χαλαζία που λειτουργούν στην υπέρυθρη περιοχή. Για παράδειγμα, στην περιοχή του ορατού φωτός σε μήκος κύματος 0,6 μm, η απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίας μπορεί να φτάσει το 1dB/km, το οποίο μειώνεται σε 0,2-0,3dB/km σε μήκος κύματος 0,8 μm και μόνο περίπου 0,1dB/km σε μήκος κύματος 1,2 μm.
Η απώλεια απορρόφησης υπέρυθρης ακτινοβολίας από ίνες χαλαζία παράγεται από τη μοριακή δόνηση του υλικού στην υπέρυθρη περιοχή. Υπάρχουν αρκετές κορυφές απορρόφησης κραδασμών στη ζώνη συχνοτήτων άνω των 2 μm. Λόγω της επίδρασης διαφόρων στοιχείων πρόσμιξης στις οπτικές ίνες, είναι αδύνατο για τις ίνες χαλαζία να έχουν ένα παράθυρο χαμηλής απώλειας στη ζώνη συχνοτήτων άνω των 2 μm. Η θεωρητική οριακή απώλεια σε μήκος κύματος 1,85 μm είναι ldB/km.Μέσω έρευνας, διαπιστώθηκε επίσης ότι υπάρχουν ορισμένα «καταστροφικά μόρια» που προκαλούν προβλήματα στο γυαλί χαλαζία, κυρίως επιβλαβείς ακαθαρσίες μεταβατικών μετάλλων όπως ο χαλκός, ο σίδηρος, το χρώμιο, το μαγγάνιο κ.λπ. Αυτοί οι «κακοποιοί» απορροφούν άπληστα την ενέργεια του φωτός υπό την έκθεση σε φως, πηδώντας και χοροπηδώντας, προκαλώντας απώλεια ενέργειας του φωτός. Η εξάλειψη των «προβληματικών» και ο χημικός καθαρισμός των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή οπτικών ινών μπορεί να μειώσει σημαντικά τις απώλειες.
Μια άλλη πηγή απορρόφησης στις οπτικές ίνες χαλαζία είναι η φάση υδροξειδίου (OH-). Έχει διαπιστωθεί ότι το υδροξείδιο έχει τρεις κορυφές απορρόφησης στη ζώνη εργασίας της ίνας, οι οποίες είναι 0,95 μm, 1,24 μm και 1,38 μm. Μεταξύ αυτών, η απώλεια απορρόφησης στο μήκος κύματος 1,38 μm είναι η πιο σοβαρή και έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην ίνα. Σε μήκος κύματος 1,38 μm, η απώλεια κορυφής απορρόφησης που παράγεται από ιόντα υδροξειδίου με περιεκτικότητα μόνο 0,0001 φτάνει τα 33dB/km.
Από πού προέρχονται αυτά τα ιόντα υδροξειδίου; Υπάρχουν πολλές πηγές ιόντων υδροξειδίου. Πρώτον, τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή οπτικών ινών περιέχουν υγρασία και ενώσεις υδροξειδίου, οι οποίες είναι δύσκολο να απομακρυνθούν κατά τη διαδικασία καθαρισμού των πρώτων υλών και τελικά παραμένουν με τη μορφή ιόντων υδροξειδίου στις οπτικές ίνες. Δεύτερον, οι ενώσεις υδρογόνου και οξυγόνου που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή οπτικών ινών περιέχουν μικρή ποσότητα υγρασίας. Τρίτον, παράγεται νερό κατά τη διαδικασία κατασκευής οπτικών ινών λόγω χημικών αντιδράσεων. Τέταρτον, η είσοδος εξωτερικού αέρα φέρνει υδρατμούς. Ωστόσο, η διαδικασία κατασκευής έχει πλέον εξελιχθεί σε σημαντικό επίπεδο και η περιεκτικότητα σε ιόντα υδροξειδίου έχει μειωθεί σε αρκετά χαμηλό επίπεδο ώστε η επίδρασή της στις οπτικές ίνες να μπορεί να αγνοηθεί.
Ώρα δημοσίευσης: 23 Οκτωβρίου 2025