Materiál používaný k výrobě optických vláken dokáže absorbovat světelnou energii. Částice v materiálech optických vláken poté, co absorbují světelnou energii, produkují vibrace a teplo a energii rozptýlí, což vede ke ztrátě absorpce.Tento článek se bude zabývat absorpčními ztrátami optických vláken.
Víme, že hmota se skládá z atomů a molekul a atomy se skládají z atomových jader a extranukleárních elektronů, které rotují kolem atomového jádra po určité oběžné dráze. Je to stejně jako Země, na které žijeme, a také planety jako Venuše a Mars, které se všechny točí kolem Slunce. Každý elektron má určité množství energie a nachází se na určité oběžné dráze, nebo jinými slovy, každá oběžná dráha má určitou energetickou hladinu.
Hladiny orbitální energie blíže k atomovému jádru jsou nižší, zatímco hladiny orbitální energie dále od atomového jádra jsou vyšší.Velikost rozdílu energetických hladin mezi orbitami se nazývá rozdíl energetických hladin. Když elektrony přecházejí z nízké energetické hladiny na vysokou energetickou hladinu, musí absorbovat energii na odpovídajícím rozdílu energetických hladin.
V optických vláknech, když jsou elektrony na určité energetické hladině ozářeny světlem o vlnové délce odpovídající rozdílu energetických hladin, elektrony umístěné na nízkoenergetických orbitalech přejdou na orbitaly s vyššími energetickými hladinami.Tento elektron absorbuje světelnou energii, což vede ke ztrátě absorpce světla.
Základní materiál pro výrobu optických vláken, oxid křemičitý (SiO2), sám absorbuje světlo, přičemž jedna část se nazývá ultrafialová absorpce a druhá absorpce infračerveného záření. V současné době komunikace optickými vlákny obecně funguje pouze v rozsahu vlnových délek 0,8–1,6 μm, takže se budeme zabývat pouze ztrátami v této pracovní oblasti.
Absorpční vrchol generovaný elektronovými přechody v křemenném skle se pohybuje kolem vlnové délky 0,1-0,2 μm v ultrafialové oblasti. S rostoucí vlnovou délkou se jeho absorpce postupně snižuje, ale postižená oblast je široká a dosahuje vlnových délek nad 1 μm. UV absorpce má však malý vliv na křemenná optická vlákna pracující v infračervené oblasti. Například v oblasti viditelného světla při vlnové délce 0,6 μm může ultrafialová absorpce dosáhnout 1 dB/km, která se při vlnové délce 0,8 μm snižuje na 0,2-0,3 dB/km a při vlnové délce 1,2 μm pouze na přibližně 0,1 dB/km.
Ztráta infračervené absorpce křemenného vlákna je generována molekulárními vibracemi materiálu v infračervené oblasti. Ve frekvenčním pásmu nad 2 μm se vyskytuje několik vibračních absorpčních vrcholů. Vzhledem k vlivu různých dopujících prvků v optických vláknech je nemožné, aby křemenná vlákna měla ve frekvenčním pásmu nad 2 μm nízké ztrátové okno. Teoretická mezní ztráta při vlnové délce 1,85 μm je ldB/km.Výzkumem bylo také zjištěno, že v křemenném skle existují některé „destruktivní molekuly“, které způsobují problémy, zejména škodlivé nečistoty přechodných kovů, jako je měď, železo, chrom, mangan atd. Tito „zločinci“ chamtivě absorbují světelnou energii pod vlivem světla, poskakují a skáčou, což způsobuje ztrátu světelné energie. Eliminace „původců problémů“ a chemické čištění materiálů používaných k výrobě optických vláken může výrazně snížit ztráty.
Dalším zdrojem absorpce v křemenných optických vláknech je fáze hydroxidu (OH⁻). Bylo zjištěno, že hydroxid má v pracovním pásmu vlákna tři absorpční píky: 0,95 μm, 1,24 μm a 1,38 μm. Z nich je absorpční ztráta na vlnové délce 1,38 μm nejzávažnější a má největší dopad na vlákno. Při vlnové délce 1,38 μm dosahuje absorpční ztráta píku generovaná hydroxidovými ionty s obsahem pouze 0,0001 až 33 dB/km.
Odkud tyto hydroxidové ionty pocházejí? Existuje mnoho zdrojů hydroxidových iontů. Zaprvé, materiály používané k výrobě optických vláken obsahují vlhkost a hydroxidové sloučeniny, které se během procesu čištění surovin obtížně odstraňují a nakonec zůstávají v optických vláknech ve formě hydroxidových iontů; zadruhé, sloučeniny vodíku a kyslíku používané při výrobě optických vláken obsahují malé množství vlhkosti; zatřetí, během výrobního procesu optických vláken vzniká voda v důsledku chemických reakcí; začtvrté, vstup vnějšího vzduchu přináší vodní páru. Výrobní proces se však nyní značně rozvinul a obsah hydroxidových iontů se snížil na dostatečně nízkou úroveň, takže jejich vliv na optická vlákna lze ignorovat.
Čas zveřejnění: 23. října 2025