Optisten kuitujen valmistuksessa käytetty materiaali voi absorboida valoenergiaa. Kun optisten kuitumateriaalien hiukkaset absorboivat valoenergiaa, ne tuottavat värähtelyä ja lämpöä ja haihduttavat energiaa, mikä johtaa absorptiohäviöön.Tässä artikkelissa analysoidaan optisten kuitumateriaalien absorptiohäviötä.
Tiedämme, että aine koostuu atomeista ja molekyyleistä, ja atomit koostuvat atomiytimistä ja niiden ulkopuolisista elektroneista, jotka pyörivät atomin ytimen ympäri tietyllä kiertoradalla. Tämä on aivan kuten Maa, jolla elämme, sekä planeetat, kuten Venus ja Mars, jotka kaikki kiertävät Aurinkoa. Jokaisella elektronilla on tietty määrä energiaa ja se on tietyllä kiertoradalla, eli toisin sanoen jokaisella kiertoradalla on tietty energiataso.
Atomin ytimen lähellä olevat orbitaalienergiatasot ovat alhaisemmat, kun taas kauempana atomin ytimestä olevat orbitaalienergiatasot ovat korkeammat.Kiertoratojen välisen energiatasoeron suuruutta kutsutaan energiatasoeroksi. Kun elektronit siirtyvät matalalta energiatasolta korkealle energiatasolle, niiden on absorboitava energiaa vastaavalla energiatasoerolla.
Optisissa kuiduissa, kun tietyllä energiatasolla olevia elektroneja säteilytetään energiatasoeroa vastaavan aallonpituuden omaavalla valolla, matalaenergisillä orbitaaleilla sijaitsevat elektronit siirtyvät korkeamman energiatason orbitaaleille.Tämä elektroni absorboi valoenergiaa, mikä johtaa valon absorptiohäviöön.
Optisten kuitujen valmistuksessa käytetty perusmateriaali, piidioksidi (SiO2), itse absorboi valoa, toista kutsutaan ultraviolettisäteilyn absorptioksi ja toista infrapunasäteilyn absorptioksi. Tällä hetkellä kuituoptinen tiedonsiirto toimii yleensä vain aallonpituusalueella 0,8–1,6 μm, joten käsittelemme tässä vain tämän työskentelyalueen häviöitä.
Kvartsilasissa elektronisten siirtymien synnyttämä absorptiohuippu on ultraviolettialueella noin 0,1–0,2 μm:n aallonpituudella. Aallonpituuden kasvaessa absorptio vähitellen pienenee, mutta vaikutusalue on laaja ja saavuttaa yli 1 μm:n aallonpituudet. UV-absorptiolla on kuitenkin vain vähän vaikutusta infrapuna-alueella toimiviin kvartsioptisiin kuituihin. Esimerkiksi näkyvän valon alueella 0,6 μm:n aallonpituudella ultraviolettiabsorptio voi saavuttaa 1 dB/km, joka laskee 0,2–0,3 dB/km:iin 0,8 μm:n aallonpituudella ja vain noin 0,1 dB/km:iin 1,2 μm:n aallonpituudella.
Kvartsikuidun infrapuna-absorptiohäviö syntyy materiaalin molekyylivärähtelystä infrapuna-alueella. Yli 2 μm:n taajuuskaistalla on useita värähtelyn absorptiohuippuja. Optisten kuitujen erilaisten dopingaineiden vaikutuksesta kvartsikuiduilla ei voi olla pienihäviöistä ikkunaa yli 2 μm:n taajuuskaistalla. Teoreettinen rajahäviö 1,85 μm:n aallonpituudella on ldB/km.Tutkimuksessa havaittiin myös, että kvartsilasissa on ongelmia aiheuttavia "tuhoavia molekyylejä", pääasiassa haitallisia siirtymämetalliepäpuhtauksia, kuten kuparia, rautaa, kromia, mangaania jne. Nämä "konnat" imevät ahneesti valoenergiaa valon alla hyppimällä ja hyppimällä ympäriinsä, mikä aiheuttaa valoenergian menetystä. "Häiriöiden" poistaminen ja optisten kuitujen valmistuksessa käytettyjen materiaalien kemiallinen puhdistaminen voi vähentää häviöitä huomattavasti.
Toinen kvartsioptisten kuitujen absorptiolähde on hydroksidi (OH-) -faasi. Hydroksidilla on havaittu olevan kuidun työkaistalla kolme absorptiopiikkiä: 0,95 μm, 1,24 μm ja 1,38 μm. Näistä 1,38 μm:n aallonpituudella tapahtuva absorptiohäviö on vakavin ja sillä on suurin vaikutus kuituun. 1,38 μm:n aallonpituudella vain 0,0001 hydroksidi-ionien aiheuttama absorptiopiikkihäviö on jopa 33 dB/km.
Mistä nämä hydroksidi-ionit tulevat? Hydroksidi-ioneja on saatavilla monista lähteistä. Ensinnäkin optisten kuitujen valmistuksessa käytetyt materiaalit sisältävät kosteutta ja hydroksidiyhdisteitä, joita on vaikea poistaa raaka-aineen puhdistusprosessissa ja jotka lopulta jäävät hydroksidi-ioneiksi optisiin kuituihin. Toiseksi optisten kuitujen valmistuksessa käytetyt vety- ja happiyhdisteet sisältävät pienen määrän kosteutta. Kolmanneksi optisten kuitujen valmistusprosessissa syntyy vettä kemiallisten reaktioiden vuoksi. Neljänneksi ulkoisen ilman sisäänpääsy tuo mukanaan vesihöyryä. Valmistusprosessi on kuitenkin nyt kehittynyt huomattavalle tasolle, ja hydroksidi-ionien pitoisuus on vähentynyt niin alhaiselle tasolle, että sen vaikutus optisiin kuituihin voidaan jättää huomiotta.
Julkaisuaika: 23.10.2025