Il materiale utilizzato per la fabbricazione delle fibre ottiche è in grado di assorbire energia luminosa. Dopo aver assorbito l'energia luminosa, le particelle presenti nei materiali delle fibre ottiche producono vibrazioni e calore, dissipando l'energia e causando una perdita per assorbimento.Questo articolo analizzerà la perdita per assorbimento dei materiali delle fibre ottiche.
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. Proprio come la Terra su cui viviamo, così come pianeti come Venere e Marte, ruotano tutti attorno al Sole. Ogni elettrone possiede una certa quantità di energia e si trova in una determinata orbita, o in altre parole, ogni orbita ha un determinato livello di energia.
I livelli energetici orbitali più vicini al nucleo atomico sono inferiori, mentre i livelli energetici orbitali più lontani dal nucleo atomico sono superiori.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 un livello energetico alto, devono assorbire energia alla corrispondente differenza di livello energetico.
Nelle fibre ottiche, quando gli elettroni a un determinato livello energetico vengono irradiati con luce di una lunghezza d'onda corrispondente alla differenza di livello energetico, gli elettroni situati negli orbitali a bassa energia passeranno a orbitali con livelli energetici superiori.Questo elettrone assorbe energia luminosa, con conseguente perdita di luce per assorbimento.
Il materiale di base per la produzione di fibre ottiche, il biossido di silicio (SiO2), assorbe la luce, in due modi distinti: assorbimento ultravioletto e assorbimento infrarosso. Attualmente, le comunicazioni in fibra ottica operano generalmente solo nella gamma di lunghezze d'onda compresa tra 0,8 e 1,6 μm, quindi ci concentreremo esclusivamente sulle perdite in questo intervallo.
Il picco di assorbimento generato dalle transizioni elettroniche nel vetro di quarzo si trova intorno a una lunghezza d'onda di 0,1-0,2 μm 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 di quarzo che operano nella regione infrarossa. 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 a circa 0,1 dB/km a una lunghezza d'onda di 1,2 μm.
La perdita per assorbimento infrarosso della fibra di quarzo è generata dalla vibrazione molecolare del materiale nella regione infrarossa. Sono presenti diversi picchi di assorbimento vibrazionale 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. Il limite di perdita teorico a una lunghezza d'onda di 1,85 μm è di ldB/km.Attraverso la ricerca, si è anche scoperto che nel vetro di quarzo sono presenti alcune "molecole dannose" che causano problemi, principalmente impurità nocive di metalli di transizione come rame, ferro, cromo, manganese, ecc. Questi "elementi nocivi" assorbono avidamente l'energia luminosa sotto illuminazione, saltellando e rimuginando, causando una perdita di energia luminosa. Eliminare questi "elementi problematici" e purificare chimicamente i materiali utilizzati nella produzione delle fibre ottiche può ridurre notevolmente le perdite.
Un'altra fonte di assorbimento nelle fibre ottiche al quarzo è la fase idrossido (OH-). È stato riscontrato che l'idrossido presenta tre picchi di assorbimento nella banda di lavoro della fibra, ovvero a 0,95 μm, 1,24 μm e 1,38 μm. Tra questi, la perdita per assorbimento alla lunghezza d'onda di 1,38 μm è la più significativa e ha il maggiore impatto sulla fibra. A una lunghezza d'onda di 1,38 μm, la perdita dovuta al picco di assorbimento generato dagli ioni idrossido con una concentrazione di appena lo 0,0001% raggiunge i 33 dB/km.
Da dove provengono questi ioni idrossido? Esistono diverse fonti di ioni idrossido. In primo luogo, i materiali utilizzati per la produzione di fibre ottiche contengono umidità e composti idrossido, difficili da rimuovere durante il processo di purificazione delle materie prime e che, di conseguenza, 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; infine, l'ingresso di aria esterna porta con sé vapore acqueo. Tuttavia, il processo di produzione si è ormai evoluto a un livello considerevole e il contenuto di ioni idrossido è stato ridotto a un livello sufficientemente basso da poter trascurare il suo impatto sulle fibre ottiche.
Data di pubblicazione: 23 ottobre 2025