הסבר מפורט על אובדן ספיגה בחומרי סיבים אופטיים

החומר המשמש לייצור סיבים אופטיים יכול לספוג אנרגיית אור. לאחר שחלקיקים בחומרי סיב אופטי סופגים אנרגיית אור, הם מייצרים רטט וחום, ומפזרים את האנרגיה, וכתוצאה מכך אובדן ספיגה.מאמר זה ינתח את אובדן הבליעה של חומרי סיבים אופטיים.

אנו יודעים שחומר מורכב מאטומים ומולקולות, ואטומים מורכבים מגרעיני אטום ואלקטרונים חוץ-גרעיניים, אשר מסתובבים סביב גרעין האטום במסלול מסוים. זה בדיוק כמו כדור הארץ עליו אנו חיים, כמו גם כוכבי לכת כמו נוגה ומאדים, כולם סובבים סביב השמש. לכל אלקטרון יש כמות מסוימת של אנרגיה והוא נמצא במסלול מסוים, או במילים אחרות, לכל מסלול יש רמת אנרגיה מסוימת.

רמות האנרגיה האורביטליות הקרובות יותר לגרעין האטום נמוכות יותר, בעוד שרמות האנרגיה האורביטליות הרחוקות יותר מגרעין האטום גבוהות יותר.גודל הפרש רמות האנרגיה בין מסלולים נקרא הפרש רמות האנרגיה. כאשר אלקטרונים עוברים מרמת אנרגיה נמוכה לרמת אנרגיה גבוהה, עליהם לספוג אנרגיה בהפרש רמות האנרגיה המתאים.

בסיבים אופטיים, כאשר אלקטרונים ברמת אנרגיה מסוימת מוקרנים באור באורך גל התואם להפרש רמות האנרגיה, אלקטרונים הממוקמים על אורביטלים בעלי אנרגיה נמוכה יעברו לאורביטלים בעלי רמות אנרגיה גבוהות יותר.אלקטרון זה סופג אנרגיית אור, וכתוצאה מכך אובדן בליעת אור.

החומר הבסיסי לייצור סיבים אופטיים, סיליקון דיאוקסיד (SiO2), סופג בעצמו אור, האחד נקרא בליעת אולטרה סגול והשני נקרא בליעת אינפרא אדום. כיום, תקשורת סיבים אופטיים פועלת בדרך כלל רק בטווח אורכי גל של 0.8-1.6 מיקרומטר, לכן נדון רק בהפסדים בתחום עבודה זה.

שיא הקליטה שנוצר על ידי מעברים אלקטרוניים בזכוכית קוורץ הוא בסביבות אורך גל של 0.1-0.2 מיקרומטר באזור האולטרה סגול. ככל שאורך הגל עולה, הקליטה שלו פוחתת בהדרגה, אך האזור המושפע רחב, ומגיע לאורכי גל מעל 1 מיקרומטר. עם זאת, לספיגת UV יש השפעה מועטה על סיבי קוורץ אופטיים הפועלים באזור האינפרא אדום. לדוגמה, באזור האור הנראה באורך גל של 0.6 מיקרומטר, קליטת האולטרה סגול יכולה להגיע ל-1dB/km, אשר יורד ל-0.2-0.3dB/km באורך גל של 0.8 מיקרומטר, ורק כ-0.1dB/km באורך גל של 1.2 מיקרומטר.

אובדן ספיגת האינפרא אדום של סיבי קוורץ נוצר על ידי הוויברציה המולקולרית של החומר באזור האינפרא אדום. ישנם מספר שיאי ספיגת ויברציות בתחום התדרים מעל 2 מיקרומטר. עקב השפעתם של אלמנטים שונים של סימום בסיבים אופטיים, לא ניתן לסיבים אופטיים חלון הפסדים נמוך בתחום התדרים מעל 2 מיקרומטר. גבול ההפסד התיאורטי באורך גל של 1.85 מיקרומטר הוא ldB/km.באמצעות מחקר, נמצא גם כי ישנן מספר "מולקולות הרסניות" הגורמות לצרות בזכוכית קוורץ, בעיקר זיהומים מזיקים של מתכות מעבר כגון נחושת, ברזל, כרום, מנגן וכו'. "נבלים" אלה סופגים בתאווה אנרגיית אור תחת תאורת האור, קופצים וקופצים מסביב, וגורמים לאובדן אנרגיית אור. הסרת "עושי צרות" וטיהור כימי של החומרים המשמשים לייצור סיבים אופטיים יכולים להפחית משמעותית את ההפסדים.

מקור ספיגה נוסף בסיבים אופטיים של קוורץ הוא פאזת ההידרוקסיד (OH-). נמצא כי להידרוקסיד שלושה שיאי ספיגה בפס העבודה של הסיב, שהם 0.95 מיקרומטר, 1.24 מיקרומטר ו-1.38 מיקרומטר. ביניהם, אובדן הספיגה באורך גל של 1.38 מיקרומטר הוא החמור ביותר ובעל ההשפעה הגדולה ביותר על הסיב. באורך גל של 1.38 מיקרומטר, אובדן שיא הספיגה שנוצר על ידי יוני הידרוקסיד בעלי תכולה של 0.0001 בלבד הוא גבוה עד 33dB/km.

מהיכן מגיעים יוני ההידרוקסיד הללו? ישנם מקורות רבים ליוני הידרוקסיד. ראשית, החומרים המשמשים לייצור סיבים אופטיים מכילים לחות ותרכובות הידרוקסיד, שקשה להסירן במהלך תהליך טיהור חומרי הגלם ובסופו של דבר נשארות בצורת יוני הידרוקסיד בסיבים האופטיים; שנית, תרכובות המימן והחמצן המשמשות בייצור סיבים אופטיים מכילות כמות קטנה של לחות; שלישית, מים נוצרים במהלך תהליך הייצור של סיבים אופטיים עקב תגובות כימיות; הרביעית היא שכניסת אוויר חיצוני מביאה אדי מים. עם זאת, תהליך הייצור התפתח כעת לרמה ניכרת, ותכולת יוני ההידרוקסיד צומצמה לרמה נמוכה מספיק כך שניתן להתעלם מהשפעתה על סיבים אופטיים.