Il materiale utilizzato per produrre fibre ottiche può assorbire l'energia luminosa. Dopo aver assorbito l'energia luminosa, le particelle nei materiali delle fibre ottiche producono vibrazioni e calore, dissipando l'energia, con conseguente perdita di assorbimento.In questo articolo analizzeremo la perdita di assorbimento dei materiali in fibra ottica.
Sappiamo che la materia è composta da atomi e molecole, e gli atomi sono composti da nuclei atomici ed elettroni extranucleari, che ruotano attorno al nucleo atomico in una determinata orbita. È proprio come la Terra su cui viviamo, così come pianeti come Venere e Marte, che ruotano tutti attorno al Sole. Ogni elettrone ha una certa quantità di energia e si trova in una certa orbita, o in altre parole, ogni orbita ha un certo livello energetico.
I livelli di energia orbitale più vicini al nucleo atomico sono più bassi, mentre i livelli di energia orbitale più lontani dal nucleo atomico sono più alti.L'entità della differenza di livello energetico tra le orbite è chiamata differenza di livello energetico. Quando gli elettroni passano da un livello energetico basso a uno alto, devono assorbire energia alla corrispondente differenza di livello energetico.
Nelle fibre ottiche, quando gli elettroni a un certo livello energetico vengono irradiati con luce di una lunghezza d'onda corrispondente alla differenza di livello energetico, gli elettroni situati sugli orbitali a bassa energia passeranno agli orbitali con livelli energetici più elevati.Questo elettrone assorbe l'energia luminosa, con conseguente perdita di assorbimento della luce.
Il materiale di base per la produzione di fibre ottiche, il biossido di silicio (SiO2), assorbe la luce, una chiamata assorbimento ultravioletto e l'altra chiamata assorbimento infrarosso. Attualmente, la comunicazione in fibra ottica opera generalmente solo nell'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 0,8 e 1,6 μm, quindi discuteremo solo le perdite in quest'area di lavoro.
Il picco di assorbimento generato dalle transizioni elettroniche nel vetro di quarzo è di circa 0,1-0,2 μm di lunghezza d'onda nella regione ultravioletta. All'aumentare della lunghezza d'onda, l'assorbimento diminuisce gradualmente, ma l'area interessata è ampia, raggiungendo lunghezze d'onda superiori a 1 μm. Tuttavia, l'assorbimento UV ha scarso effetto sulle fibre ottiche al quarzo che operano nella regione dell'infrarosso. Ad esempio, nella regione della luce visibile a una lunghezza d'onda di 0,6 μm, l'assorbimento ultravioletto può raggiungere 1 dB/km, che diminuisce a 0,2-0,3 dB/km a una lunghezza d'onda di 0,8 μm e solo circa 0,1 dB/km a una lunghezza d'onda di 1,2 μm.
La perdita di assorbimento infrarosso della fibra di quarzo è generata dalla vibrazione molecolare del materiale nella regione dell'infrarosso. Sono presenti diversi picchi di assorbimento delle vibrazioni nella banda di frequenza superiore a 2 μm. A causa dell'influenza di vari elementi di drogaggio nelle fibre ottiche, è impossibile per le fibre di quarzo avere una finestra di bassa perdita nella banda di frequenza superiore a 2 μm. La perdita limite teorica a una lunghezza d'onda di 1,85 μm è di ldB/km.Attraverso la ricerca, è stato anche scoperto che ci sono alcune "molecole distruttive" che causano problemi al vetro di quarzo, principalmente impurità di metalli di transizione nocivi come rame, ferro, cromo, manganese, ecc. Questi "cattivi" assorbono avidamente l'energia luminosa sotto l'illuminazione, saltando e saltando qua e là, causando una perdita di energia luminosa. Eliminando i "problematici" e purificando chimicamente i materiali utilizzati per produrre le fibre ottiche si possono ridurre notevolmente le perdite.
Un'altra fonte di assorbimento nelle fibre ottiche al quarzo è la fase idrossido (OH-). È stato scoperto che l'idrossido presenta tre picchi di assorbimento nella banda di lavoro della fibra, ovvero 0,95 μm, 1,24 μm e 1,38 μm. Tra questi, la perdita di assorbimento alla lunghezza d'onda di 1,38 μm è la più grave e ha il maggiore impatto sulla fibra. A una lunghezza d'onda di 1,38 μm, la perdita di picco di assorbimento generata da ioni idrossido con un contenuto di soli 0,0001 è pari a 33 dB/km.
Da dove provengono questi ioni idrossido? Esistono molte fonti di ioni idrossido. In primo luogo, i materiali utilizzati per produrre fibre ottiche contengono umidità e composti idrossido, difficili da rimuovere durante il processo di purificazione delle materie prime e che alla fine rimangono sotto forma di ioni idrossido nelle fibre ottiche; in secondo luogo, i composti di idrogeno e ossigeno utilizzati nella produzione di fibre ottiche contengono una piccola quantità di umidità; in terzo luogo, l'acqua viene generata durante il processo di produzione delle fibre ottiche a causa di reazioni chimiche; in quarto luogo, l'ingresso di aria esterna porta vapore acqueo. Tuttavia, il processo di produzione ha ormai raggiunto un livello considerevole e il contenuto di ioni idrossido è stato ridotto a un livello sufficientemente basso da poterne ignorare l'impatto sulle fibre ottiche.
Data di pubblicazione: 23-10-2025