Het materiaal dat gebruikt wordt voor de productie van optische vezels kan lichtenergie absorberen. Nadat de deeltjes in het optische vezelmateriaal lichtenergie hebben geabsorbeerd, produceren ze trillingen en warmte, waardoor de energie wordt afgevoerd en absorptieverlies optreedt.Dit artikel analyseert het absorptieverlies van optische vezelmaterialen.
We weten dat materie is opgebouwd uit atomen en moleculen, en dat atomen bestaan uit atoomkernen en elektronen die zich buiten de kern bevinden en in een bepaalde baan rond de atoomkern draaien. Dit is net zoals de aarde waarop wij leven, en planeten zoals Venus en Mars, die allemaal rond de zon draaien. Elk elektron heeft een bepaalde hoeveelheid energie en bevindt zich in een bepaalde baan, of met andere woorden, elke baan heeft een bepaald energieniveau.
De orbitale energieniveaus dichter bij de atoomkern zijn lager, terwijl de orbitale energieniveaus verder van de atoomkern hoger zijn.De grootte van het energieverschil tussen banen wordt het energieverschil genoemd. Wanneer elektronen overgaan van een laag energieniveau naar een hoog energieniveau, moeten ze energie absorberen bij het overeenkomstige energieverschil.
In optische vezels zullen elektronen op een bepaald energieniveau, wanneer ze worden bestraald met licht van een golflengte die overeenkomt met het energieverschil, vanuit de laagenergetische orbitalen overgaan naar orbitalen met een hoger energieniveau.Dit elektron absorbeert lichtenergie, wat resulteert in absorptieverlies van licht.
Het basismateriaal voor de productie van optische vezels, siliciumdioxide (SiO2), absorbeert zelf licht, zowel ultraviolette als infrarode absorptie. Momenteel werkt glasvezelcommunicatie over het algemeen alleen in het golflengtebereik van 0,8-1,6 μm, dus we zullen ons beperken tot de verliezen in dit werkgebied.
De absorptiepiek die wordt veroorzaakt door elektronische overgangen in kwartsglas ligt rond een golflengte van 0,1-0,2 μm in het ultraviolette gebied. Naarmate de golflengte toeneemt, neemt de absorptie geleidelijk af, maar het getroffen gebied is breed en reikt tot golflengten boven 1 μm. UV-absorptie heeft echter weinig effect op optische kwartsvezels die in het infraroodgebied werken. In het zichtbare lichtgebied kan de ultraviolette absorptie bijvoorbeeld bij een golflengte van 0,6 μm oplopen tot 1 dB/km, wat afneemt tot 0,2-0,3 dB/km bij een golflengte van 0,8 μm en slechts tot ongeveer 0,1 dB/km bij een golflengte van 1,2 μm.
Het infraroodabsorptieverlies van kwartsvezels wordt veroorzaakt door de moleculaire vibratie van het materiaal in het infraroodgebied. Er zijn verschillende vibratieabsorptiepieken in de frequentieband boven 2 μm. Door de invloed van diverse doteringselementen in optische vezels is het voor kwartsvezels onmogelijk om een laag verliesbereik te hebben in de frequentieband boven 2 μm. De theoretische limiet voor verlies bij een golflengte van 1,85 μm is 1 dB/km.Uit onderzoek is gebleken dat er in kwartsglas enkele "schadelijke moleculen" voorkomen, voornamelijk schadelijke overgangsmetaalverontreinigingen zoals koper, ijzer, chroom, mangaan, enzovoort. Deze 'boosdoeners' absorberen gretig lichtenergie onder invloed van licht, waardoor energie verloren gaat. Door deze 'boosdoeners' te elimineren en de materialen die gebruikt worden voor de productie van optische vezels chemisch te zuiveren, kan het energieverlies aanzienlijk worden verminderd.
Een andere absorptiebron in optische kwartsvezels is de hydroxidefase (OH⁻). Er is vastgesteld dat hydroxide drie absorptiepieken heeft in de werkband van de vezel, namelijk bij 0,95 μm, 1,24 μm en 1,38 μm. De absorptieverliespiek bij 1,38 μm is het grootst en heeft de grootste impact op de vezel. Bij een golflengte van 1,38 μm kan het absorptieverlies door hydroxide-ionen met een concentratie van slechts 0,0001 maar liefst 33 dB/km bedragen.
Waar komen deze hydroxide-ionen vandaan? Er zijn veel bronnen van hydroxide-ionen. Ten eerste bevatten de materialen die gebruikt worden voor de productie van optische vezels vocht en hydroxideverbindingen. Deze zijn moeilijk te verwijderen tijdens het zuiveringsproces van de grondstoffen en blijven uiteindelijk in de vorm van hydroxide-ionen in de optische vezels achter. Ten tweede bevatten de waterstof- en zuurstofverbindingen die gebruikt worden bij de productie van optische vezels een kleine hoeveelheid vocht. Ten derde ontstaat er water tijdens het productieproces van optische vezels als gevolg van chemische reacties. Ten vierde wordt er waterdamp aangevoerd door de instroom van buitenlucht. Het productieproces is echter inmiddels aanzienlijk verbeterd en het gehalte aan hydroxide-ionen is zodanig verlaagd dat de impact ervan op optische vezels verwaarloosbaar is.
Geplaatst op: 23 oktober 2025