คำอธิบายโดยละเอียดของการสูญเสียการดูดซับในวัสดุใยแก้วนำแสง

วัสดุที่ใช้ในการผลิตเส้นใยแก้วนำแสงสามารถดูดซับพลังงานแสงได้ หลังจากที่อนุภาคในวัสดุเส้นใยแก้วนำแสงดูดซับพลังงานแสงแล้ว อนุภาคเหล่านี้จะก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนและความร้อน และกระจายพลังงานออกไป ส่งผลให้สูญเสียการดูดซับบทความนี้จะวิเคราะห์การสูญเสียการดูดซับของวัสดุใยแก้วนำแสง

เรารู้ว่าสสารประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุล และอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอนนอกนิวเคลียร์ ซึ่งหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมในวงโคจรที่แน่นอน เช่นเดียวกับโลกที่เราอาศัยอยู่ เช่นเดียวกับดาวเคราะห์อย่างดาวศุกร์และดาวอังคาร ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีพลังงานจำนวนหนึ่งและอยู่ในวงโคจรที่แน่นอน หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ วงโคจรแต่ละวงมีระดับพลังงานที่แน่นอน

ระดับพลังงานวงโคจรที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสอะตอมจะต่ำกว่า ในขณะที่ระดับพลังงานวงโคจรที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสอะตอมจะสูงกว่าขนาดของความแตกต่างของระดับพลังงานระหว่างวงโคจรเรียกว่าความแตกต่างของระดับพลังงาน เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปยังระดับพลังงานสูง อิเล็กตรอนจำเป็นต้องดูดซับพลังงานที่ความแตกต่างของระดับพลังงานที่สอดคล้องกัน

ในเส้นใยแก้วนำแสง เมื่ออิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานหนึ่งได้รับการฉายแสงที่มีความยาวคลื่นสอดคล้องกับความต่างของระดับพลังงาน อิเล็กตรอนที่อยู่บนออร์บิทัลพลังงานต่ำจะเปลี่ยนไปยังออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานสูงกว่าอิเล็กตรอนนี้จะดูดซับพลังงานแสง ส่งผลให้สูญเสียการดูดซับแสงไป

วัสดุพื้นฐานสำหรับการผลิตเส้นใยแก้วนำแสงคือซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ซึ่งทำหน้าที่ดูดซับแสง โดยตัวมันเองเรียกว่าการดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต และอีกตัวเรียกว่าการดูดซับรังสีอินฟราเรด ปัจจุบันการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสงโดยทั่วไปทำงานในช่วงความยาวคลื่น 0.8-1.6 ไมโครเมตรเท่านั้น ดังนั้นเราจะอธิบายเฉพาะการสูญเสียแสงในขอบเขตการทำงานนี้เท่านั้น

จุดสูงสุดของการดูดกลืนแสงที่เกิดจากการเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอนในแก้วควอตซ์มีความยาวคลื่นประมาณ 0.1-0.2 ไมโครเมตรในช่วงรังสีอัลตราไวโอเลต เมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น การดูดกลืนแสงจะค่อยๆ ลดลง แต่พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจะกว้างขึ้น โดยมีความยาวคลื่นมากกว่า 1 ไมโครเมตร อย่างไรก็ตาม การดูดกลืนแสงยูวีมีผลเพียงเล็กน้อยต่อเส้นใยแก้วนำแสงควอตซ์ที่ทำงานในช่วงอินฟราเรด ตัวอย่างเช่น ในช่วงแสงที่มองเห็นได้ที่ความยาวคลื่น 0.6 ไมโครเมตร การดูดกลืนแสงอัลตราไวโอเลตอาจสูงถึง 1 เดซิเบลต่อกิโลเมตร ซึ่งลดลงเหลือ 0.2-0.3 เดซิเบลต่อกิโลเมตรที่ความยาวคลื่น 0.8 ไมโครเมตร และลดลงเหลือเพียงประมาณ 0.1 เดซิเบลต่อกิโลเมตรที่ความยาวคลื่น 1.2 ไมโครเมตร

การสูญเสียการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของเส้นใยควอตซ์เกิดจากการสั่นสะเทือนของโมเลกุลของวัสดุในช่วงอินฟราเรด มีจุดสูงสุดของการดูดกลืนรังสีสั่นสะเทือนหลายจุดในย่านความถี่ที่สูงกว่า 2 ไมโครเมตร เนื่องจากอิทธิพลของสารเจือปนต่างๆ ในเส้นใยนำแสง เส้นใยควอตซ์จึงไม่สามารถมีค่าการสูญเสียต่ำในย่านความถี่ที่สูงกว่า 2 ไมโครเมตรได้ ขีดจำกัดการสูญเสียทางทฤษฎีที่ความยาวคลื่น 1.85 ไมโครเมตร คือ ldB/kmจากการวิจัยพบว่ามี “โมเลกุลทำลายล้าง” บางชนิดที่ก่อให้เกิดปัญหาในแก้วควอตซ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารเจือปนโลหะทรานซิชันที่เป็นอันตราย เช่น ทองแดง เหล็ก โครเมียม แมงกานีส ฯลฯ “ตัวร้าย” เหล่านี้จะดูดกลืนพลังงานแสงอย่างตะกละตะกลามภายใต้แสงที่ส่องผ่าน กระโดดไปมา ทำให้สูญเสียพลังงานแสงไป การกำจัด “ตัวก่อปัญหา” และการทำให้วัสดุที่ใช้ผลิตเส้นใยแก้วนำแสงบริสุทธิ์ด้วยสารเคมี สามารถลดการสูญเสียพลังงานได้อย่างมาก

แหล่งดูดกลืนอีกแหล่งหนึ่งในเส้นใยแก้วนำแสงควอตซ์คือเฟสไฮดรอกไซด์ (OH -) พบว่าไฮดรอกไซด์มีจุดสูงสุดของการดูดกลืนสามจุดในแถบการทำงานของเส้นใยแก้ว ได้แก่ 0.95 ไมโครเมตร 1.24 ไมโครเมตร และ 1.38 ไมโครเมตร ในบรรดาจุดสูงสุดเหล่านี้ การสูญเสียการดูดกลืนที่ความยาวคลื่น 1.38 ไมโครเมตรมีความรุนแรงที่สุดและส่งผลกระทบต่อเส้นใยแก้วมากที่สุด ที่ความยาวคลื่น 1.38 ไมโครเมตร การสูญเสียจุดสูงสุดของการดูดกลืนที่เกิดจากไอออนไฮดรอกไซด์ที่มีปริมาณเพียง 0.0001 ไมโครเมตร สูงถึง 33 เดซิเบลต่อกิโลเมตร

ไอออนไฮดรอกไซด์เหล่านี้มาจากไหน? ไอออนไฮดรอกไซด์มีแหล่งกำเนิดอยู่มากมาย ประการแรก วัสดุที่ใช้ในการผลิตเส้นใยแก้วนำแสงประกอบด้วยความชื้นและสารประกอบไฮดรอกไซด์ ซึ่งกำจัดออกได้ยากในกระบวนการทำให้บริสุทธิ์วัตถุดิบ และสุดท้ายจะคงอยู่ในรูปของไอออนไฮดรอกไซด์ในเส้นใยแก้วนำแสง ประการที่สอง สารประกอบไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ใช้ในการผลิตเส้นใยแก้วนำแสงมีความชื้นอยู่เล็กน้อย ประการที่สาม น้ำเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิตเส้นใยแก้วนำแสงเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมี ประการที่สี่คือ เมื่ออากาศภายนอกเข้ามาก็จะนำไอน้ำเข้ามา อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตในปัจจุบันได้พัฒนาไปในระดับหนึ่งแล้ว และปริมาณไอออนไฮดรอกไซด์ก็ลดลงจนแทบไม่มีผลกระทบต่อเส้นใยแก้วนำแสงเลย