Vật liệu dùng để sản xuất sợi quang có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng. Sau khi các hạt trong vật liệu sợi quang hấp thụ năng lượng ánh sáng, chúng tạo ra sự rung động và nhiệt, đồng thời tiêu tán năng lượng, dẫn đến tổn thất do hấp thụ.Bài viết này sẽ phân tích sự suy hao hấp thụ của vật liệu sợi quang.
Chúng ta biết rằng vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử, và các nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân nguyên tử và các electron ngoài hạt nhân, chúng quay quanh hạt nhân nguyên tử theo một quỹ đạo nhất định. Điều này cũng giống như Trái đất mà chúng ta đang sống, cũng như các hành tinh như Sao Kim và Sao Hỏa, đều quay quanh Mặt trời. Mỗi electron có một lượng năng lượng nhất định và nằm trong một quỹ đạo nhất định, hay nói cách khác, mỗi quỹ đạo có một mức năng lượng nhất định.
Các mức năng lượng quỹ đạo gần hạt nhân nguyên tử thấp hơn, trong khi các mức năng lượng quỹ đạo xa hạt nhân nguyên tử cao hơn.Độ lớn của sự chênh lệch mức năng lượng giữa các quỹ đạo được gọi là hiệu số mức năng lượng. Khi electron chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, chúng cần hấp thụ năng lượng ở mức hiệu số mức năng lượng tương ứng.
Trong sợi quang, khi các electron ở một mức năng lượng nhất định được chiếu xạ bằng ánh sáng có bước sóng tương ứng với hiệu số mức năng lượng, các electron nằm trên các obitan năng lượng thấp sẽ chuyển lên các obitan có mức năng lượng cao hơn.Electron này hấp thụ năng lượng ánh sáng, dẫn đến sự mất mát ánh sáng do hấp thụ.
Vật liệu cơ bản để sản xuất sợi quang, silic dioxide (SiO2), bản thân nó hấp thụ ánh sáng, một loại gọi là hấp thụ tia cực tím và loại khác gọi là hấp thụ tia hồng ngoại. Hiện nay, truyền thông cáp quang thường chỉ hoạt động trong dải bước sóng 0,8-1,6 μm, vì vậy chúng ta sẽ chỉ thảo luận về tổn hao trong phạm vi hoạt động này.
Đỉnh hấp thụ được tạo ra bởi các chuyển đổi điện tử trong thủy tinh thạch anh nằm ở bước sóng khoảng 0,1-0,2 μm trong vùng tia cực tím. Khi bước sóng tăng lên, sự hấp thụ giảm dần, nhưng vùng bị ảnh hưởng rộng, đạt đến bước sóng trên 1 μm. Tuy nhiên, sự hấp thụ tia cực tím ít ảnh hưởng đến các sợi quang thạch anh hoạt động trong vùng hồng ngoại. Ví dụ, trong vùng ánh sáng nhìn thấy ở bước sóng 0,6 μm, sự hấp thụ tia cực tím có thể đạt đến 1dB/km, giảm xuống còn 0,2-0,3dB/km ở bước sóng 0,8 μm và chỉ khoảng 0,1dB/km ở bước sóng 1,2 μm.
Sự suy hao do hấp thụ tia hồng ngoại của sợi quang thạch anh được tạo ra bởi sự dao động phân tử của vật liệu trong vùng hồng ngoại. Có một số đỉnh hấp thụ dao động trong dải tần số trên 2 μm. Do ảnh hưởng của các nguyên tố pha tạp khác nhau trong sợi quang, sợi quang thạch anh không thể có cửa sổ suy hao thấp trong dải tần số trên 2 μm. Giới hạn suy hao lý thuyết ở bước sóng 1,85 μm là 1 dB/km.Qua nghiên cứu, người ta cũng phát hiện ra rằng có một số "phân tử gây hại" gây ra sự cố trong thủy tinh thạch anh, chủ yếu là các tạp chất kim loại chuyển tiếp có hại như đồng, sắt, crom, mangan, v.v. Những "kẻ phản diện" này tham lam hấp thụ năng lượng ánh sáng dưới ánh sáng chiếu, nhảy nhót lung tung, gây ra sự hao phí năng lượng ánh sáng. Loại bỏ "kẻ gây hại" và tinh chế hóa học các vật liệu được sử dụng để sản xuất sợi quang có thể giảm đáng kể tổn thất.
Một nguồn hấp thụ khác trong sợi quang thạch anh là pha hydroxit (OH-). Người ta đã phát hiện ra rằng hydroxit có ba đỉnh hấp thụ trong dải tần hoạt động của sợi quang, đó là 0,95 μm, 1,24 μm và 1,38 μm. Trong số đó, tổn thất hấp thụ ở bước sóng 1,38 μm là nghiêm trọng nhất và có tác động lớn nhất đến sợi quang. Ở bước sóng 1,38 μm, tổn thất đỉnh hấp thụ do các ion hydroxit với hàm lượng chỉ 0,0001 tạo ra đã cao tới 33 dB/km.
Các ion hydroxit này đến từ đâu? Có nhiều nguồn ion hydroxit. Thứ nhất, các vật liệu dùng để sản xuất sợi quang chứa hơi ẩm và các hợp chất hydroxit, rất khó loại bỏ trong quá trình tinh chế nguyên liệu thô và cuối cùng tồn tại dưới dạng ion hydroxit trong sợi quang; Thứ hai, các hợp chất hydro và oxy được sử dụng trong sản xuất sợi quang chứa một lượng nhỏ hơi ẩm; Thứ ba, nước được tạo ra trong quá trình sản xuất sợi quang do các phản ứng hóa học; Thứ tư là sự xâm nhập của không khí bên ngoài mang theo hơi nước. Tuy nhiên, quy trình sản xuất hiện nay đã phát triển đến mức đáng kể, và hàm lượng ion hydroxit đã được giảm xuống mức đủ thấp để có thể bỏ qua ảnh hưởng của nó đến sợi quang.
Thời gian đăng bài: 23 tháng 10 năm 2025