Das zur Herstellung von Glasfasern verwendete Material kann Lichtenergie absorbieren. Nachdem die Partikel in Glasfasermaterialien Lichtenergie absorbiert haben, erzeugen sie Vibrationen und Wärme und leiten die Energie ab, was zu Absorptionsverlusten führt.In diesem Artikel wird der Absorptionsverlust von Glasfasermaterialien analysiert.
Wir wissen, dass Materie aus Atomen und Molekülen besteht, und Atome wiederum bestehen aus Atomkernen und extranuklearen Elektronen, die auf einer bestimmten Umlaufbahn um den Atomkern kreisen. So ist es auch mit der Erde, auf der wir leben, und mit Planeten wie Venus und Mars, die alle um die Sonne kreisen. Jedes Elektron besitzt eine bestimmte Energie und befindet sich auf einer bestimmten Umlaufbahn, oder anders ausgedrückt: Jede Umlaufbahn hat ein bestimmtes Energieniveau.
Die Orbitalenergieniveaus näher am Atomkern sind niedriger, während die Orbitalenergieniveaus weiter vom Atomkern entfernt höher sind.Die Größe des Energieniveauunterschieds zwischen den Umlaufbahnen wird als Energieniveaudifferenz bezeichnet. Wenn Elektronen von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau wechseln, müssen sie Energie bei der entsprechenden Energieniveaudifferenz absorbieren.
Wenn in optischen Fasern Elektronen auf einem bestimmten Energieniveau mit Licht einer Wellenlänge bestrahlt werden, die der Energieniveaudifferenz entspricht, wechseln Elektronen auf Orbitalen mit niedriger Energie in Orbitale mit höherem Energieniveau.Dieses Elektron absorbiert Lichtenergie, was zu einem Absorptionsverlust des Lichts führt.
Das Grundmaterial für die Herstellung von Glasfasern, Siliziumdioxid (SiO2), absorbiert Licht. Dies wird als Ultraviolett- und Infrarotabsorption bezeichnet. Da die Glasfaserkommunikation derzeit im Allgemeinen nur im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 1,6 μm funktioniert, werden wir uns nur mit den Verlusten in diesem Arbeitsbereich befassen.
Der Absorptionspeak, der durch elektronische Übergänge in Quarzglas erzeugt wird, liegt bei etwa 0,1–0,2 µm Wellenlänge im ultravioletten Bereich. Mit zunehmender Wellenlänge nimmt die Absorption allmählich ab, der betroffene Bereich ist jedoch breit und erreicht Wellenlängen über 1 µm. Die UV-Absorption hat jedoch kaum Auswirkungen auf Quarzglasfasern im Infrarotbereich. Beispielsweise kann die UV-Absorption im sichtbaren Licht bei einer Wellenlänge von 0,6 µm 1 dB/km erreichen, sinkt bei einer Wellenlänge von 0,8 µm auf 0,2–0,3 dB/km und beträgt bei einer Wellenlänge von 1,2 µm nur noch etwa 0,1 dB/km.
Der Infrarot-Absorptionsverlust von Quarzfasern wird durch die molekularen Schwingungen des Materials im Infrarotbereich erzeugt. Im Frequenzband über 2 μm treten mehrere Schwingungsabsorptionsspitzen auf. Aufgrund des Einflusses verschiedener Dotierungselemente in optischen Fasern ist es für Quarzfasern unmöglich, im Frequenzband über 2 μm ein verlustarmes Fenster zu haben. Der theoretische Grenzverlust bei einer Wellenlänge von 1,85 μm beträgt 1 dB/km.Durch Forschung wurde außerdem festgestellt, dass einige „zerstörerische Moleküle“ Probleme in Quarzglas verursachen, hauptsächlich schädliche Übergangsmetallverunreinigungen wie Kupfer, Eisen, Chrom, Mangan usw. Diese „Bösewichte“ absorbieren unter Lichteinfall gierig Lichtenergie, springen und springen herum, was zu einem Verlust von Lichtenergie führt. Durch die Beseitigung dieser „Störenfriede“ und die chemische Reinigung der zur Herstellung von Glasfasern verwendeten Materialien können Verluste erheblich reduziert werden.
Eine weitere Absorptionsquelle in Quarzglasfasern ist die Hydroxidphase (OH-). Es wurde festgestellt, dass Hydroxid im Arbeitsband der Faser drei Absorptionsspitzen aufweist: 0,95 μm, 1,24 μm und 1,38 μm. Der Absorptionsverlust bei der Wellenlänge von 1,38 μm ist dabei am stärksten und hat die größten Auswirkungen auf die Faser. Bei einer Wellenlänge von 1,38 μm beträgt der Absorptionsspitzenverlust durch Hydroxidionen mit einem Gehalt von nur 0,0001 bis zu 33 dB/km.
Woher stammen diese Hydroxidionen? Hydroxidionen können viele Ursachen haben. Erstens enthalten die zur Herstellung optischer Fasern verwendeten Materialien Feuchtigkeit und Hydroxidverbindungen, die sich bei der Rohstoffreinigung nur schwer entfernen lassen und letztlich in Form von Hydroxidionen in den optischen Fasern verbleiben. Zweitens enthalten die bei der Herstellung optischer Fasern verwendeten Wasserstoff- und Sauerstoffverbindungen geringe Mengen Feuchtigkeit. Drittens entsteht bei der Herstellung optischer Fasern durch chemische Reaktionen Wasser. Viertens gelangt Wasserdampf durch eindringende Außenluft in die Fasern. Mittlerweile hat sich der Herstellungsprozess jedoch so weit entwickelt, dass der Gehalt an Hydroxidionen so weit reduziert wurde, dass die Auswirkungen auf die optischen Fasern vernachlässigt werden können.
Veröffentlichungszeit: 23. Oktober 2025