Материал, используемый для производства оптических волокон, способен поглощать световую энергию. Поглощая световую энергию, частицы в оптических волокнах создают вибрацию и тепло, рассеивая энергию, что приводит к потерям в поглощении.В данной статье будут проанализированы потери поглощения в оптоволоконных материалах.
Мы знаем, что материя состоит из атомов и молекул, а атомы – из атомных ядер и внеядерных электронов, которые вращаются вокруг атомного ядра по определённой орбите. Это подобно тому, как Земля, на которой мы живём, а также планеты, такие как Венера и Марс, вращаются вокруг Солнца. Каждый электрон обладает определённым запасом энергии и находится на определённой орбите, или, другими словами, каждая орбита имеет определённый уровень энергии.
Уровни орбитальной энергии, расположенные ближе к ядру атома, ниже, тогда как уровни орбитальной энергии, расположенные дальше от ядра атома, выше.Величина разницы в уровнях энергии между орбитами называется разницей уровней энергии. Когда электроны переходят с низкого уровня энергии на высокий, им необходимо поглотить энергию с соответствующей разницей уровней энергии.
В оптических волокнах при облучении электронов, находящихся на определенном энергетическом уровне, светом с длиной волны, соответствующей разнице энергетических уровней, электроны, находящиеся на низкоэнергетических орбиталях, переходят на орбитали с более высокими уровнями энергии.Этот электрон поглощает энергию света, что приводит к потере поглощения света.
Основной материал для производства оптических волокон, диоксид кремния (SiO2), сам поглощает свет: в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. В настоящее время волоконно-оптическая связь, как правило, работает только в диапазоне длин волн 0,8–1,6 мкм, поэтому мы рассмотрим потери только в этой рабочей области.
Пик поглощения, генерируемый электронными переходами в кварцевом стекле, приходится на длину волны около 0,1–0,2 мкм в ультрафиолетовой области. С увеличением длины волны поглощение постепенно уменьшается, но область поглощения широкая, достигая длин волн свыше 1 мкм. Однако поглощение ультрафиолета мало влияет на кварцевые оптические волокна, работающие в инфракрасном диапазоне. Например, в видимом диапазоне на длине волны 0,6 мкм поглощение ультрафиолета может достигать 1 дБ/км, уменьшаясь до 0,2–0,3 дБ/км на длине волны 0,8 мкм и всего лишь около 0,1 дБ/км на длине волны 1,2 мкм.
Потери на поглощение инфракрасного излучения кварцевым волокном обусловлены молекулярными колебаниями материала в инфракрасной области. В диапазоне частот выше 2 мкм наблюдается несколько пиков поглощения колебаний. Из-за влияния различных легирующих элементов в оптических волокнах кварцевые волокна не могут иметь окно низких потерь в диапазоне частот выше 2 мкм. Теоретический предел потерь на длине волны 1,85 мкм составляет 1лБ/км.В ходе исследований было также обнаружено наличие «деструктивных молекул», вызывающих проблемы в кварцевом стекле, в основном, вредных примесей переходных металлов, таких как медь, железо, хром, марганец и др. Эти «злодеи» жадно поглощают световую энергию под воздействием света, прыгая и скачя, что приводит к её потере. Устранение «деструктивных молекул» и химическая очистка материалов, используемых для производства оптических волокон, может значительно снизить потери.
Другим источником поглощения в кварцевых оптических волокнах является гидроксидная (ОН-) фаза. Было обнаружено, что гидроксид имеет три пика поглощения в рабочей полосе волокна: 0,95 мкм, 1,24 мкм и 1,38 мкм. Среди них наиболее значительными являются потери поглощения на длине волны 1,38 мкм, оказывающие наибольшее влияние на волокно. На длине волны 1,38 мкм потери поглощения, создаваемые гидроксид-ионами с содержанием всего 0,0001, достигают 33 дБ/км.
Откуда берутся эти гидроксид-ионы? Существует множество источников гидроксид-ионов. Во-первых, материалы, используемые для производства оптических волокон, содержат влагу и гидроксидные соединения, которые трудно удалить в процессе очистки сырья и в конечном итоге остаются в виде гидроксид-ионов в оптических волокнах; Во-вторых, соединения водорода и кислорода, используемые в производстве оптических волокон, содержат небольшое количество влаги; В-третьих, в процессе производства оптических волокон в результате химических реакций образуется вода; В-четвертых, поступление наружного воздуха приносит с собой водяной пар. Однако в настоящее время производственный процесс достиг значительного уровня развития, и содержание гидроксид-ионов снизилось до достаточно низкого уровня, что их воздействие на оптические волокна можно игнорировать.
Время публикации: 23 октября 2025 г.