تستطيع المادة المستخدمة في تصنيع الألياف الضوئية امتصاص الطاقة الضوئية. بعد أن تمتص جزيئات الألياف الضوئية الطاقة الضوئية، تُنتج اهتزازًا وحرارة، فتتبدد الطاقة، مما يؤدي إلى فقدان الامتصاص.ستقوم هذه المقالة بتحليل فقدان الامتصاص لمواد الألياف البصرية.
نعلم أن المادة تتكون من ذرات وجزيئات، وتتكون الذرات من نوى ذرية وإلكترونات خارج النواة، تدور حول النواة في مدار محدد. هذا تمامًا كما تدور الأرض التي نعيش عليها، وكذلك كواكب مثل الزهرة والمريخ، جميعها حول الشمس. لكل إلكترون كمية معينة من الطاقة، ويدور في مدار محدد، أو بمعنى آخر، لكل مدار مستوى طاقة محدد.
مستويات الطاقة المدارية الأقرب إلى النواة الذرية تكون أقل، في حين أن مستويات الطاقة المدارية الأبعد عن النواة الذرية تكون أعلى.يُسمى مقدار فرق مستويات الطاقة بين المدارات بفرق مستويات الطاقة. عندما تنتقل الإلكترونات من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة مرتفع، فإنها تحتاج إلى امتصاص الطاقة عند فرق مستويات الطاقة المقابل.
في الألياف الضوئية، عندما يتم تشعيع الإلكترونات عند مستوى طاقة معين بضوء بطول موجي يتوافق مع الفرق بين مستويات الطاقة، فإن الإلكترونات الموجودة في المدارات ذات الطاقة المنخفضة ستنتقل إلى مدارات ذات مستويات طاقة أعلى.يمتص هذا الإلكترون طاقة الضوء، مما يؤدي إلى فقدان امتصاص الضوء.
المادة الأساسية لتصنيع الألياف الضوئية، وهي ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، تمتص الضوء بنوعين: امتصاص الأشعة فوق البنفسجية وامتصاص الأشعة تحت الحمراء. حاليًا، تعمل اتصالات الألياف الضوئية عادةً في نطاق الطول الموجي 0.8-1.6 ميكرومتر فقط، لذا سنناقش فقط الخسائر في هذا المجال.
تبلغ ذروة الامتصاص الناتجة عن التحولات الإلكترونية في زجاج الكوارتز حوالي 0.1-0.2 ميكرومتر طول موجي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. ومع ازدياد الطول الموجي، ينخفض الامتصاص تدريجيًا، لكن المنطقة المتأثرة تكون واسعة، حيث تصل إلى أطوال موجية أعلى من 1 ميكرومتر. مع ذلك، لا يؤثر امتصاص الأشعة فوق البنفسجية بشكل كبير على ألياف الكوارتز الضوئية العاملة في نطاق الأشعة تحت الحمراء. على سبيل المثال، في نطاق الضوء المرئي عند طول موجي 0.6 ميكرومتر، يمكن أن يصل امتصاص الأشعة فوق البنفسجية إلى 1 ديسيبل/كم، وينخفض إلى 0.2-0.3 ديسيبل/كم عند طول موجي 0.8 ميكرومتر، وحوالي 0.1 ديسيبل/كم فقط عند طول موجي 1.2 ميكرومتر.
ينشأ فقدان امتصاص الأشعة تحت الحمراء لألياف الكوارتز نتيجةً للاهتزاز الجزيئي للمادة في منطقة الأشعة تحت الحمراء. توجد عدة قمم لامتصاص الاهتزازات في نطاق الترددات التي تزيد عن 2 ميكرومتر. ونظرًا لتأثير عناصر التشويب المختلفة في الألياف الضوئية، يستحيل أن تتمتع ألياف الكوارتز بنافذة فقدان منخفضة في نطاق الترددات التي تزيد عن 2 ميكرومتر. الحد النظري لفقدان الضوء عند طول موجي 1.85 ميكرومتر هو ldB/km.من خلال البحث، وُجد أيضًا وجود بعض "الجزيئات المدمرة" التي تُسبب مشاكل في زجاج الكوارتز، وخاصةً شوائب المعادن الانتقالية الضارة مثل النحاس والحديد والكروم والمنغنيز، وغيرها. تمتص هذه "الجزيئات الضارة" الطاقة الضوئية بشراهة تحت إضاءة الضوء، فتتطاير وتتناثر، مما يُسبب فقدانًا في الطاقة الضوئية. يُمكن تقليل الخسائر بشكل كبير عن طريق التخلص من "الجزيئات الضارة" وتنقية المواد المستخدمة في تصنيع الألياف الضوئية كيميائيًا.
يُعد طور الهيدروكسيد (OH-) مصدر امتصاص آخر في ألياف الكوارتز الضوئية. وقد وُجد أن للهيدروكسيد ثلاث قمم امتصاص في نطاق عمل الألياف، وهي 0.95 ميكرومتر، و1.24 ميكرومتر، و1.38 ميكرومتر. من بين هذه القمم، يُعد فقدان الامتصاص عند طول موجي 1.38 ميكرومتر الأكثر شدةً وله التأثير الأكبر على الألياف. عند طول موجي 1.38 ميكرومتر، يصل فقدان ذروة الامتصاص الناتج عن أيونات الهيدروكسيد التي تحتوي على 0.0001 فقط إلى 33 ديسيبل/كم.
من أين تأتي أيونات الهيدروكسيد هذه؟ هناك العديد من مصادر أيونات الهيدروكسيد. أولاً، تحتوي المواد المستخدمة في تصنيع الألياف البصرية على رطوبة ومركبات هيدروكسيد، والتي يصعب إزالتها أثناء عملية تنقية المواد الخام وتبقى في النهاية على شكل أيونات هيدروكسيد في الألياف البصرية؛ ثانيًا، تحتوي مركبات الهيدروجين والأكسجين المستخدمة في تصنيع الألياف البصرية على كمية صغيرة من الرطوبة؛ ثالثًا، يتم توليد الماء أثناء عملية تصنيع الألياف البصرية بسبب التفاعلات الكيميائية؛ رابعًا، دخول الهواء الخارجي يجلب بخار الماء. ومع ذلك، فقد تطورت عملية التصنيع الآن إلى مستوى كبير، وانخفض محتوى أيونات الهيدروكسيد إلى مستوى منخفض بما يكفي بحيث يمكن تجاهل تأثيره على الألياف البصرية.
وقت النشر: ٢٣ أكتوبر ٢٠٢٥