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 sẽ tạo ra rung động và nhiệt, đồng thời tiêu tán năng lượng, dẫn đến tổn thất hấp thụ.Bài viết này sẽ phân tích sự suy giảm hấp thụ của vật liệu sợi quang.
Chúng ta biết rằng vật chất được cấu thành từ các nguyên tử và phân tử, và nguyên tử được cấu thành từ hạt nhân nguyên tử và các electron ngoài hạt nhân, 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 trên 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 hơn thì thấp hơn, trong khi các mức năng lượng quỹ đạo xa hạt nhân nguyên tử hơn thì cao hơn.Độ lớn của chênh lệch mức năng lượng giữa các quỹ đạo được gọi là chênh lệch mức năng lượng. Khi các electron chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, chúng cần hấp thụ năng lượng ở mức chênh lệch mức năng lượng tương ứng.
Trong sợi quang, khi các electron ở mức năng lượng nhất định được chiếu sáng bằng ánh sáng có bước sóng tương ứng với độ chênh lệch mức năng lượng, các electron nằm trên quỹ đạo năng lượng thấp sẽ chuyển lên quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn.Electron này hấp thụ năng lượng ánh sáng, dẫn đến mất mát ánh sáng.
Vật liệu cơ bản để sản xuất sợi quang, silicon dioxide (SiO2), tự nó hấp thụ ánh sáng, một loại gọi là hấp thụ tia cực tím và loại còn lại gọi là hấp thụ hồng ngoại. Hiện tại, thông tin liên lạc bằng cáp quang thường chỉ hoạt động trong dải bước sóng 0,8-1,6 μm, vì vậy chúng ta sẽ chỉ thảo luận về suy hao trong phạm vi hoạt động này.
Đỉnh hấp thụ tạo ra bởi các chuyển đổi điện tử trong thủy tinh thạch anh nằm trong khoảng bước sóng 0,1-0,2 μm trong vùng tử ngoại. Khi bước sóng tăng, độ hấp thụ giảm dần, nhưng diện tích bị ảnh hưởng khá rộng, đạt đến các bước sóng trên 1 μm. Tuy nhiên, sự hấp thụ tia cực tím ít ảnh hưởng đến sợi quang thạch anh hoạt động trong vùng hồng ngoại. Ví dụ, trong vùng ánh sáng khả kiến ở bước sóng 0,6 μm, độ hấp thụ tia cực tím có thể đạt 1 dB/km, giảm xuống còn 0,2-0,3 dB/km ở bước sóng 0,8 μm, và chỉ còn khoảng 0,1 dB/km ở bước sóng 1,2 μm.
Suy hao hấp thụ hồng ngoại của sợi thạch anh được tạo ra bởi dao động phân tử của vật liệu trong vùng hồng ngoại. Có một số đỉnh hấp thụ rung động trong dải tần số trên 2 μm. Do ảnh hưởng của các thành phần pha tạp khác nhau trong sợi quang, sợi thạch anh không thể có cửa sổ suy hao thấp trong dải tần số trên 2 μm. Suy hao giới hạn lý thuyết ở bước sóng 1,85 μm là ldB/km.Qua nghiên cứu, người ta cũng phát hiện ra rằng có một số "phân tử phá hoại" gây ra vấn đề 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 xấu" này sẽ tham lam hấp thụ năng lượng ánh sáng dưới ánh sáng, nhảy nhót lung tung, gây ra tình trạng mất năng lượng ánh sáng. Việc loại bỏ "kẻ phá hoại" và tinh chế hóa học các vật liệu dùng để sản xuất sợi quang có thể giảm đáng kể tổn thất.
Một nguồn hấp thụ khác trong sợi quang thạch anh là pha hydroxide (OH-). Hydroxide có ba đỉnh hấp thụ trong dải làm việc của sợi, lần lượt là 0,95 μm, 1,24 μm và 1,38 μm. Trong đó, tổn thất hấp thụ ở bước sóng 1,38 μm là nghiêm trọng nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đến sợi. Ở bước sóng 1,38 μm, tổn thất đỉnh hấp thụ do ion hydroxide tạo ra với hàm lượng chỉ 0,0001 có thể lên tới 33 dB/km.
Các ion hydroxide này đến từ đâu? Có nhiều nguồn ion hydroxide. Thứ nhất, vật liệu dùng để sản xuất sợi quang chứa độ ẩm và hợp chất hydroxide, rất khó loại bỏ trong quá trình tinh chế nguyên liệu thô và cuối cùng vẫn tồn tại dưới dạng ion hydroxide trong sợi quang; Thứ hai, các hợp chất hydro và oxy dùng trong sản xuất sợi quang chứa một lượng nhỏ độ 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 đã phát triển đến mức đáng kể và hàm lượng ion hydroxide đã được giảm xuống mức đủ thấp để có thể bỏ qua tác động của nó đối với sợi quang.
Thời gian đăng: 23-10-2025