Материал, используемый для производства оптических волокон, способен поглощать световую энергию. После поглощения световой энергии частицами в материалах оптических волокон происходит вибрация и выделение тепла, что приводит к потерям энергии из-за поглощения.В данной статье будет проанализирован уровень потерь поглощения в материалах оптических волокон.
Мы знаем, что материя состоит из атомов и молекул, а атомы состоят из атомных ядер и внеядерных электронов, которые вращаются вокруг атомного ядра по определенной орбите. Это похоже на Землю, на которой мы живем, а также на планеты, такие как Венера и Марс, которые вращаются вокруг Солнца. Каждый электрон обладает определенным количеством энергии и находится на определенной орбите, или, другими словами, каждая орбита имеет определенный энергетический уровень.
Энергетические уровни орбиталей, расположенных ближе к атомному ядру, ниже, а энергетические уровни орбиталей, расположенных дальше от атомного ядра, выше.Величина разницы энергетических уровней между орбитами называется разностью энергетических уровней. При переходе электронов с низкого энергетического уровня на высокий энергетический уровень им необходимо поглотить энергию, соответствующую разности энергетических уровней.
В оптических волокнах, когда электроны на определенном энергетическом уровне облучаются светом с длиной волны, соответствующей разности энергетических уровней, электроны, находящиеся на низкоэнергетических орбиталях, переходят на орбитали с более высокими энергетическими уровнями.Этот электрон поглощает световую энергию, что приводит к потере света в результате поглощения.
Основной материал для производства оптических волокон, диоксид кремния (SiO2), сам по себе поглощает свет, причем одно поглощение называется ультрафиолетовым, а другое — инфракрасным. В настоящее время волоконно-оптическая связь, как правило, работает только в диапазоне длин волн 0,8–1,6 мкм, поэтому мы будем обсуждать только потери в этой рабочей области.
Пик поглощения, создаваемый электронными переходами в кварцевом стекле, находится в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны около 0,1–0,2 мкм. С увеличением длины волны поглощение постепенно уменьшается, но область его воздействия широка и достигает длин волн выше 1 мкм. Однако поглощение УФ-излучения мало влияет на кварцевые оптические волокна, работающие в инфракрасном диапазоне. Например, в видимом диапазоне на длине волны 0,6 мкм поглощение ультрафиолетового излучения может достигать 1 дБ/км, уменьшаясь до 0,2–0,3 дБ/км на длине волны 0,8 мкм и всего около 0,1 дБ/км на длине волны 1,2 мкм.
Потери на поглощение инфракрасного излучения в кварцевом волокне обусловлены молекулярными колебаниями материала в инфракрасном диапазоне. В частотном диапазоне выше 2 мкм наблюдается несколько пиков поглощения, вызванных этими колебаниями. Из-за влияния различных легирующих элементов в оптических волокнах кварцевые волокна не могут иметь окно с низкими потерями в частотном диапазоне выше 2 мкм. Теоретический предел потерь на длине волны 1,85 мкм составляет 1 дБ/км.В ходе исследований также было обнаружено наличие некоторых «разрушительных молекул», вызывающих проблемы в кварцевом стекле, в основном вредных примесей переходных металлов, таких как медь, железо, хром, марганец и др. Эти «вредители» жадно поглощают световую энергию под воздействием света, перемещаясь и вызывая потери световой энергии. Устранение «вредителей» и химическая очистка материалов, используемых для производства оптических волокон, могут значительно снизить потери.
Еще одним источником поглощения в кварцевых оптических волокнах является гидроксидная (OH-) фаза. Было обнаружено, что гидроксид имеет три пика поглощения в рабочем диапазоне волокна: 0,95 мкм, 1,24 мкм и 1,38 мкм. Среди них потери поглощения на длине волны 1,38 мкм являются наиболее значительными и оказывают наибольшее влияние на волокно. На длине волны 1,38 мкм потери пика поглощения, создаваемые гидроксидными ионами с содержанием всего 0,0001, достигают 33 дБ/км.
Откуда берутся эти гидроксид-ионы? Источников гидроксид-ионов много. Во-первых, материалы, используемые для производства оптических волокон, содержат влагу и гидроксидные соединения, которые трудно удалить в процессе очистки сырья, и в конечном итоге они остаются в виде гидроксид-ионов в оптических волокнах; во-вторых, соединения водорода и кислорода, используемые при производстве оптических волокон, содержат небольшое количество влаги; в-третьих, вода образуется в процессе производства оптических волокон в результате химических реакций; в-четвертых, попадание водяного пара извне. Однако в настоящее время производственный процесс значительно развился, и содержание гидроксид-ионов снижено до достаточно низкого уровня, так что их воздействие на оптические волокна можно игнорировать.
Дата публикации: 23 октября 2025 г.