คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับการสูญเสียการดูดกลืนแสงในวัสดุใยแก้วนำแสง

วัสดุที่ใช้ในการผลิตใยแก้วนำแสงสามารถดูดซับพลังงานแสงได้ หลังจากอนุภาคในวัสดุใยแก้วนำแสงดูดซับพลังงานแสงแล้ว จะเกิดการสั่นสะเทือนและความร้อน และกระจายพลังงานออกไป ส่งผลให้เกิดการสูญเสียจากการดูดซับบทความนี้จะวิเคราะห์การสูญเสียการดูดกลืนแสงของวัสดุใยแก้วนำแสง

เรารู้ว่าสสารประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุล และอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนนอกนิวเคลียส ซึ่งโคจรรอบนิวเคลียสในวงโคจรที่แน่นอน เช่นเดียวกับโลกที่เราอาศัยอยู่ รวมถึงดาวเคราะห์ต่างๆ เช่น ดาวศุกร์และดาวอังคาร ซึ่งล้วนโคจรรอบดวงอาทิตย์ อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีพลังงานจำนวนหนึ่งและอยู่ในวงโคจรที่แน่นอน หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ แต่ละวงโคจรมีระดับพลังงานที่แน่นอน

ระดับพลังงานของวงโคจรที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมจะมีค่าต่ำกว่า ในขณะที่ระดับพลังงานของวงโคจรที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสของอะตอมจะมีค่าสูงกว่าขนาดของความแตกต่างของระดับพลังงานระหว่างวงโคจรเรียกว่าความแตกต่างของระดับพลังงาน เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนสถานะจากระดับพลังงานต่ำไปยังระดับพลังงานสูง พวกมันจำเป็นต้องดูดซับพลังงานที่ความแตกต่างของระดับพลังงานที่สอดคล้องกัน

ในเส้นใยแก้วนำแสง เมื่ออิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานหนึ่งถูกฉายด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นตรงกับความแตกต่างของระดับพลังงาน อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรพลังงานต่ำจะเปลี่ยนสถานะไปยังวงโคจรที่มีระดับพลังงานสูงกว่าอิเล็กตรอนนี้ดูดซับพลังงานแสง ส่งผลให้เกิดการสูญเสียแสงจากการดูดซับ

วัสดุพื้นฐานที่ใช้ในการผลิตใยแก้วนำแสงคือ ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ซึ่งดูดซับแสงได้สองแบบ คือ การดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต และการดูดซับรังสีอินฟราเรด ปัจจุบัน การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงโดยทั่วไปทำงานในช่วงความยาวคลื่น 0.8-1.6 ไมโครเมตรเท่านั้น ดังนั้นเราจะกล่าวถึงการสูญเสียเฉพาะในช่วงการทำงานนี้เท่านั้น

จุดสูงสุดของการดูดกลืนแสงที่เกิดจากการเปลี่ยนสถานะทางอิเล็กตรอนในแก้วควอตซ์นั้นอยู่ที่ความยาวคลื่นประมาณ 0.1-0.2 ไมโครเมตรในย่านรังสีอัลตราไวโอเลต เมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น การดูดกลืนแสงจะค่อยๆ ลดลง แต่บริเวณที่ได้รับผลกระทบนั้นกว้าง ครอบคลุมความยาวคลื่นมากกว่า 1 ไมโครเมตร อย่างไรก็ตาม การดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเลตมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อใยแก้วนำแสงควอตซ์ที่ทำงานในย่านอินฟราเรด ตัวอย่างเช่น ในย่านแสงที่มองเห็นได้ที่ความยาวคลื่น 0.6 ไมโครเมตร การดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเลตสามารถสูงถึง 1 เดซิเบล/กิโลเมตร ซึ่งลดลงเหลือ 0.2-0.3 เดซิเบล/กิโลเมตร ที่ความยาวคลื่น 0.8 ไมโครเมตร และเหลือเพียงประมาณ 0.1 เดซิเบล/กิโลเมตร ที่ความยาวคลื่น 1.2 ไมโครเมตร

การสูญเสียการดูดซับรังสีอินฟราเรดของเส้นใยควอตซ์เกิดจากการสั่นสะเทือนของโมเลกุลของวัสดุในย่านอินฟราเรด มีจุดยอดการดูดซับการสั่นสะเทือนหลายจุดในช่วงความถี่สูงกว่า 2 ไมโครเมตร เนื่องจากอิทธิพลของธาตุเจือปนต่างๆ ในเส้นใยนำแสง ทำให้เส้นใยควอตซ์ไม่สามารถมีช่วงการสูญเสียต่ำในช่วงความถี่สูงกว่า 2 ไมโครเมตรได้ ขีดจำกัดการสูญเสียทางทฤษฎีที่ความยาวคลื่น 1.85 ไมโครเมตร คือ 1 dB/kmจากการวิจัยพบว่ามี “โมเลกุลที่เป็นอันตราย” บางชนิดที่ก่อให้เกิดปัญหาในกระจกควอตซ์ โดยส่วนใหญ่เป็นสิ่งเจือปนของโลหะทรานซิชันที่เป็นอันตราย เช่น ทองแดง เหล็ก โครเมียม แมงกานีส เป็นต้น “ตัวการ” เหล่านี้จะดูดซับพลังงานแสงอย่างตะกละตะกลามภายใต้การส่องสว่าง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและส่งผลให้พลังงานแสงสูญเสียไป การกำจัด “ตัวการ” และการทำให้วัสดุที่ใช้ในการผลิตใยแก้วนำแสงบริสุทธิ์ทางเคมีสามารถลดการสูญเสียได้อย่างมาก

แหล่งการดูดกลืนแสงอีกแหล่งหนึ่งในใยแก้วนำแสงควอตซ์คือเฟสไฮดรอกไซด์ (OH-) พบว่าไฮดรอกไซด์มีจุดดูดกลืนแสงสูงสุดสามจุดในช่วงความถี่ใช้งานของใยแก้วนำแสง ได้แก่ 0.95 ไมโครเมตร 1.24 ไมโครเมตร และ 1.38 ไมโครเมตร ในบรรดาจุดดูดกลืนแสงเหล่านี้ การสูญเสียจากการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น 1.38 ไมโครเมตรนั้นรุนแรงที่สุดและส่งผลกระทบต่อใยแก้วนำแสงมากที่สุด ที่ความยาวคลื่น 1.38 ไมโครเมตร การสูญเสียจากการดูดกลืนแสงสูงสุดที่เกิดจากไอออนไฮดรอกไซด์ที่มีปริมาณเพียง 0.0001 นั้นสูงถึง 33 เดซิเบล/กิโลเมตร

ไอออนไฮดรอกไซด์เหล่านี้มาจากไหน? ไอออนไฮดรอกไซด์มีแหล่งที่มาหลายแหล่ง ประการแรก วัสดุที่ใช้ในการผลิตใยแก้วนำแสงมีทั้งความชื้นและสารประกอบไฮดรอกไซด์ ซึ่งยากต่อการกำจัดออกในระหว่างกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ของวัตถุดิบ และสุดท้ายจึงยังคงอยู่ในรูปของไอออนไฮดรอกไซด์ในใยแก้วนำแสง ประการที่สอง สารประกอบไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ใช้ในการผลิตใยแก้วนำแสงมีปริมาณความชื้นเล็กน้อย ประการที่สาม น้ำเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการผลิตใยแก้วนำแสงเนื่องจากปฏิกิริยาเคมี ประการที่สี่ คือ การเข้าของอากาศภายนอกนำไอน้ำเข้ามา อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตในปัจจุบันได้พัฒนาไปถึงระดับที่สูงมากแล้ว และปริมาณของไอออนไฮดรอกไซด์ลดลงจนอยู่ในระดับที่ต่ำมากจนผลกระทบต่อใยแก้วนำแสงสามารถมองข้ามได้