Оптикалық талшықтарды өндіру үшін қолданылатын материал жарық энергиясын сіңіре алады. Оптикалық талшық материалдарындағы бөлшектер жарық энергиясын сіңіргеннен кейін, олар діріл мен жылу шығарады және энергияны таратады, бұл сіңірудің жоғалуына әкеледі.Бұл мақалада оптикалық талшықты материалдардың сіңіру шығыны талданады.
Біз материяның атомдар мен молекулалардан тұратынын, ал атомдардың атом ядроларынан және ядродан тыс электрондардан тұратынын білеміз, олар атом ядросының айналасында белгілі бір орбитада айналады. Бұл біз өмір сүретін Жер сияқты, сондай-ақ Шолпан мен Марс сияқты планеталардың барлығы Күннің айналасында айналады. Әрбір электронның белгілі бір энергия мөлшері бар және ол белгілі бір орбитада орналасқан, немесе басқаша айтқанда, әрбір орбитаның белгілі бір энергия деңгейі бар.
Атом ядросына жақын орбиталық энергия деңгейлері төмен, ал атом ядросынан алыс орбиталық энергия деңгейлері жоғарырақ.Орбиталардың арасындағы энергия деңгейінің айырмашылығының шамасы энергия деңгейінің айырмашылығы деп аталады. Электрондар төмен энергия деңгейінен жоғары энергия деңгейіне өткенде, олар сәйкес энергия деңгейінің айырмашылығында энергияны сіңіруі керек.
Оптикалық талшықтарда белгілі бір энергия деңгейіндегі электрондар энергия деңгейінің айырмашылығына сәйкес келетін толқын ұзындығының сәулесімен сәулелендірілгенде, төмен энергиялы орбитальдарда орналасқан электрондар жоғары энергия деңгейлері бар орбитальдарға ауысады.Бұл электрон жарық энергиясын сіңіреді, нәтижесінде жарықтың жұтылуы жоғалады.
Оптикалық талшықтарды өндіруге арналған негізгі материал, кремний диоксиді (SiO2), жарықты өзі сіңіреді, біреуі ультракүлгін жұтылу, ал екіншісі инфрақызыл жұтылу деп аталады. Қазіргі уақытта талшықты-оптикалық байланыс, әдетте, тек 0,8-1,6 мкм толқын ұзындығы диапазонында жұмыс істейді, сондықтан біз тек осы жұмыс аймағындағы шығындарды талқылаймыз.
Кварц шынысындағы электрондық ауысулар нәтижесінде пайда болатын жұтылу шыңы ультракүлгін аймақта шамамен 0,1-0,2 мкм толқын ұзындығын құрайды. Толқын ұзындығы артқан сайын оның жұтылу шыңы біртіндеп азаяды, бірақ әсер ететін аймақ кеңейіп, 1 мкм-ден жоғары толқын ұзындығына жетеді. Дегенмен, УК жұтылу инфрақызыл аймақта жұмыс істейтін кварц оптикалық талшықтарына аз әсер етеді. Мысалы, 0,6 мкм толқын ұзындығындағы көрінетін жарық аймағында ультракүлгін жұтылу 1 дБ/км-ге жетуі мүмкін, ол 0,8 мкм толқын ұзындығында 0,2-0,3 дБ/км-ге дейін төмендейді, ал 1,2 мкм толқын ұзындығында тек 0,1 дБ/км ғана.
Кварц талшығының инфрақызыл сіңіру шығыны инфрақызыл аймақтағы материалдың молекулалық тербелісінен туындайды. 2 мкм-ден жоғары жиілік диапазонында бірнеше дірілді сіңіру шыңдары бар. Оптикалық талшықтардағы әртүрлі легирлеу элементтерінің әсеріне байланысты кварц талшықтарының 2 мкм-ден жоғары жиілік диапазонында төмен шығын терезесінің болуы мүмкін емес. 1,85 мкм толқын ұзындығындағы теориялық шекті шығын ldB/км құрайды.Зерттеулер барысында кварц шынысында ақаулық тудыратын кейбір «деструктивті молекулалардың», негізінен мыс, темір, хром, марганец және т.б. сияқты зиянды өтпелі металл қоспаларының бар екені анықталды. Бұл «зұлым адамдар» жарық сәулесінің астында жарық энергиясын ашкөздікпен сіңіріп, секіріп, жарық энергиясының жоғалуына әкеледі. «Ақау тудырушыларды» жою және оптикалық талшықтарды өндіру үшін қолданылатын материалдарды химиялық тазарту шығындарды айтарлықтай азайта алады.
Кварц оптикалық талшықтарындағы тағы бір сіңіру көзі - гидроксид (OH-) фазасы. Талшықтың жұмыс жолағында гидроксидтің үш сіңіру шыңы бар екені анықталды, олар 0,95 мкм, 1,24 мкм және 1,38 мкм. Олардың ішінде 1,38 мкм толқын ұзындығындағы сіңіру шығыны ең ауыр болып табылады және талшыққа ең үлкен әсер етеді. 1,38 мкм толқын ұзындығында құрамында тек 0,0001 болатын гидроксид иондары тудыратын сіңіру шыңының шығыны 33 дБ/км-ге дейін жетеді.
Бұл гидроксид иондары қайдан пайда болады? Гидроксид иондарының көптеген көздері бар. Біріншіден, оптикалық талшықтарды өндіру үшін қолданылатын материалдарда ылғал мен гидроксид қосылыстары бар, оларды шикізатты тазарту процесінде кетіру қиын және сайып келгенде оптикалық талшықтарда гидроксид иондары түрінде қалады; Екіншіден, оптикалық талшықтарды өндіруде қолданылатын сутегі мен оттегі қосылыстарында аз мөлшерде ылғал болады; Үшіншіден, оптикалық талшықтарды өндіру процесінде химиялық реакциялар нәтижесінде су пайда болады; Төртіншіден, сыртқы ауаның енуі су буын әкеледі. Дегенмен, өндіріс процесі қазір айтарлықтай деңгейге жетті, ал гидроксид иондарының мөлшері оптикалық талшықтарға әсерін елемеу мүмкін болатындай төмен деңгейге дейін төмендеді.
Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 23 қазан