Materiál používaný na výrobu optických vlákien dokáže absorbovať svetelnú energiu. Po absorbovaní svetelnej energie častice v materiáloch optických vlákien vytvárajú vibrácie a teplo a rozptyľujú energiu, čo vedie k strate absorpcie.Tento článok bude analyzovať absorpčné straty optických vlákien.
Vieme, že hmota sa skladá z atómov a molekúl a atómy sa skladajú z atómových jadier a extranukleárnych elektrónov, ktoré rotujú okolo atómového jadra na určitej obežnej dráhe. Je to presne tak, ako Zem, na ktorej žijeme, a planéty ako Venuša a Mars, obiehajú okolo Slnka. Každý elektrón má určité množstvo energie a nachádza sa na určitej obežnej dráhe, alebo inými slovami, každá obežná dráha má určitú energetickú hladinu.
Hladiny orbitálnej energie bližšie k atómovému jadru sú nižšie, zatiaľ čo hladiny orbitálnej energie ďalej od atómového jadra sú vyššie.Veľkosť rozdielu energetických hladín medzi obežnými dráhami sa nazýva rozdiel energetických hladín. Keď elektróny prechádzajú z nízkej energetickej hladiny na vysokú energetickú hladinu, musia absorbovať energiu pri zodpovedajúcom rozdiele energetických hladín.
V optických vláknach, keď sú elektróny na určitej energetickej hladine ožiarené svetlom s vlnovou dĺžkou zodpovedajúcou rozdielu energetických hladín, elektróny nachádzajúce sa na nízkoenergetických orbitaloch prejdú na orbitaly s vyššími energetickými hladinami.Tento elektrón absorbuje svetelnú energiu, čo vedie k strate absorpcie svetla.
Základný materiál na výrobu optických vlákien, oxid kremičitý (SiO2), sám absorbuje svetlo, pričom jedna časť sa nazýva ultrafialová absorpcia a druhá infračervená absorpcia. V súčasnosti funguje komunikácia prostredníctvom optických vlákien vo všeobecnosti iba v rozsahu vlnových dĺžok 0,8 – 1,6 μm, takže sa budeme venovať iba stratám v tejto pracovnej oblasti.
Absorpčný pík generovaný elektrónovými prechodmi v kremennom skle je v ultrafialovej oblasti s vlnovou dĺžkou okolo 0,1 – 0,2 μm. S rastúcou vlnovou dĺžkou sa jeho absorpcia postupne znižuje, ale postihnutá oblasť je široká a dosahuje vlnové dĺžky nad 1 μm. UV absorpcia má však malý vplyv na kremenné optické vlákna pracujúce v infračervenej oblasti. Napríklad v oblasti viditeľného svetla pri vlnovej dĺžke 0,6 μm môže ultrafialová absorpcia dosiahnuť 1 dB/km, pri vlnovej dĺžke 0,8 μm klesá na 0,2 – 0,3 dB/km a pri vlnovej dĺžke 1,2 μm už len na približne 0,1 dB/km.
Strata absorpcie infračerveného žiarenia kremenného vlákna je spôsobená molekulárnymi vibráciami materiálu v infračervenej oblasti. Vo frekvenčnom pásme nad 2 μm sa vyskytuje niekoľko vrcholov absorpcie vibrácií. V dôsledku vplyvu rôznych dopujúcich prvkov v optických vláknach nie je možné, aby kremenné vlákna mali vo frekvenčnom pásme nad 2 μm okno s nízkymi stratami. Teoretická medzná strata pri vlnovej dĺžke 1,85 μm je ldB/km.Výskumom sa tiež zistilo, že v kremennom skle sa nachádzajú niektoré „deštruktívne molekuly“, ktoré spôsobujú problémy, najmä škodlivé nečistoty prechodných kovov, ako je meď, železo, chróm, mangán atď. Tieto „zločince“ pod vplyvom svetla nenásytne absorbujú svetelnú energiu, skáču a skáču, čo spôsobuje stratu svetelnej energie. Odstránenie „problémových látok“ a chemické čistenie materiálov používaných na výrobu optických vlákien môže výrazne znížiť straty.
Ďalším zdrojom absorpcie v kremenných optických vláknach je fáza hydroxidu (OH⁻). Zistilo sa, že hydroxid má v pracovnom pásme vlákna tri absorpčné píky: 0,95 μm, 1,24 μm a 1,38 μm. Spomedzi nich je absorpčná strata pri vlnovej dĺžke 1,38 μm najzávažnejšia a má najväčší vplyv na vlákno. Pri vlnovej dĺžke 1,38 μm je strata absorpčného píku generovaná hydroxidovými iónmi s obsahom iba 0,0001 až 33 dB/km.
Odkiaľ pochádzajú tieto hydroxidové ióny? Existuje mnoho zdrojov hydroxidových iónov. Po prvé, materiály používané na výrobu optických vlákien obsahujú vlhkosť a hydroxidové zlúčeniny, ktoré sa počas procesu čistenia surovín ťažko odstraňujú a nakoniec zostávajú vo forme hydroxidových iónov v optických vláknach; po druhé, zlúčeniny vodíka a kyslíka používané pri výrobe optických vlákien obsahujú malé množstvo vlhkosti; po tretie, počas výrobného procesu optických vlákien vzniká voda v dôsledku chemických reakcií; po štvrté, vstup vonkajšieho vzduchu prináša vodnú paru. Výrobný proces sa však teraz značne rozvinul a obsah hydroxidových iónov sa znížil na dostatočne nízku úroveň, takže ich vplyv na optické vlákna možno ignorovať.
Čas uverejnenia: 23. októbra 2025