Das zur Herstellung von Glasfasern verwendete Material kann Lichtenergie absorbieren. Nachdem die Partikel im Glasfasermaterial Lichtenergie absorbiert haben, erzeugen sie Vibrationen und Wärme und geben die Energie ab, was zu Absorptionsverlusten führt.Dieser Artikel analysiert die Absorptionsverluste von optischen Fasermaterialien.
Wir wissen, dass Materie aus Atomen und Molekülen besteht, und Atome bestehen aus Atomkernen und extranuklearen Elektronen, die den Atomkern auf einer bestimmten Bahn umkreisen. Genau wie die Erde, auf der wir leben, und Planeten wie Venus und Mars, die alle um die Sonne kreisen. Jedes Elektron besitzt eine bestimmte Energiemenge und befindet sich auf einer bestimmten Bahn; anders ausgedrückt: Jede Bahn hat ein bestimmtes Energieniveau.
Die Orbitalenergieniveaus, die näher am Atomkern liegen, sind niedriger, während die Orbitalenergieniveaus, die weiter vom Atomkern entfernt sind, höher sind.Die Größe des Energieniveauunterschieds zwischen zwei Umlaufbahnen wird als Energieniveaudifferenz bezeichnet. Wenn Elektronen von einem niedrigen auf ein hohes Energieniveau wechseln, müssen sie Energie entsprechend der Energieniveaudifferenz aufnehmen.
In optischen Fasern werden Elektronen auf einem bestimmten Energieniveau mit Licht einer Wellenlänge bestrahlt, die der Energiedifferenz entspricht. Dabei wechseln Elektronen von energieärmeren Orbitalen zu Orbitalen mit höherem Energieniveau.Dieses Elektron absorbiert Lichtenergie, was zu einem Absorptionsverlust des Lichts führt.
Das Basismaterial für die Herstellung von Glasfasern, Siliziumdioxid (SiO₂), absorbiert selbst Licht, und zwar sowohl ultraviolettes als auch infrarotes Licht. Da die Glasfaserkommunikation derzeit im Allgemeinen nur im Wellenlängenbereich von 0,8–1,6 μm arbeitet, beschränken wir uns im Folgenden auf die Betrachtung der Verluste in diesem Bereich.
Das Absorptionsmaximum, das durch elektronische Übergänge in Quarzglas entsteht, liegt im ultravioletten Bereich bei etwa 0,1–0,2 μm Wellenlänge. Mit zunehmender Wellenlänge nimmt die Absorption zwar allmählich ab, der betroffene Bereich ist jedoch breit und reicht bis über 1 μm hinaus. Im Infrarotbereich hat die UV-Absorption hingegen nur geringe Auswirkungen auf Quarzglasfasern. Beispielsweise kann die UV-Absorption im sichtbaren Licht bei einer Wellenlänge von 0,6 μm 1 dB/km erreichen, sinkt bei 0,8 μm auf 0,2–0,3 dB/km und beträgt bei 1,2 μm nur noch etwa 0,1 dB/km.
Die Infrarot-Absorptionsverluste von Quarzfasern entstehen durch die Molekülschwingungen des Materials im Infrarotbereich. Im Frequenzband oberhalb von 2 μm treten mehrere Absorptionsmaxima auf. Aufgrund des Einflusses verschiedener Dotierungselemente in optischen Fasern ist es Quarzfasern nicht möglich, ein verlustarmes Fenster im Frequenzband oberhalb von 2 μm aufzuweisen. Der theoretische Grenzverlust bei einer Wellenlänge von 1,85 μm beträgt 1 ldB/km.Untersuchungen ergaben außerdem, dass bestimmte „schädliche Moleküle“ in Quarzglas Probleme verursachen, hauptsächlich schädliche Übergangsmetallverunreinigungen wie Kupfer, Eisen, Chrom, Mangan usw. Diese „Schädlinge“ absorbieren unter Lichteinfall gierig Lichtenergie, dehnen sich aus und verursachen so Lichtverluste. Durch die Entfernung dieser „Störenfriede“ und die chemische Reinigung der zur Herstellung von Glasfasern verwendeten Materialien lassen sich die Verluste deutlich reduzieren.
Eine weitere Absorptionsquelle in Quarzglasfasern ist die Hydroxidphase (OH⁻). Es wurde festgestellt, dass Hydroxid im Arbeitsband der Faser drei Absorptionsmaxima bei 0,95 μm, 1,24 μm und 1,38 μm aufweist. Die Absorptionsdämpfung bei einer Wellenlänge von 1,38 μm ist dabei am größten und beeinträchtigt die Faser am stärksten. Bei dieser Wellenlänge beträgt die durch Hydroxidionen mit einem Gehalt von nur 0,0001 verursachte Absorptionsdämpfung bis zu 33 dB/km.
Woher stammen diese Hydroxidionen? Es gibt viele Quellen für Hydroxidionen. Erstens enthalten die zur Herstellung von Glasfasern verwendeten Materialien Feuchtigkeit und Hydroxidverbindungen, die sich während der Rohmaterialreinigung nur schwer entfernen lassen und letztendlich als Hydroxidionen in den Glasfasern verbleiben. Zweitens enthalten die bei der Glasfaserherstellung verwendeten Wasserstoff- und Sauerstoffverbindungen geringe Mengen an Feuchtigkeit. Drittens entsteht während des Herstellungsprozesses durch chemische Reaktionen Wasser. Viertens gelangt durch das Eindringen von Außenluft Wasserdampf in die Glasfasern. Der Herstellungsprozess ist jedoch mittlerweile so weit fortgeschritten, dass der Gehalt an Hydroxidionen auf ein so niedriges Niveau reduziert wurde, dass sein Einfluss auf die Glasfasern vernachlässigbar ist.
Veröffentlichungsdatum: 23. Oktober 2025