Optik fiberlerin üretiminde kullanılan malzeme ışık enerjisini emebilir. Optik fiber malzemelerindeki parçacıklar ışık enerjisini emdikten sonra titreşim ve ısı üretir ve enerjiyi dağıtarak emilim kaybına neden olur.Bu makale, optik fiber malzemelerinin soğurma kaybını analiz edecektir.
Maddenin atomlardan ve moleküllerden oluştuğunu, atomların ise atom çekirdeklerinden ve atom çekirdeği etrafında belirli bir yörüngede dönen çekirdek dışı elektronlardan oluştuğunu biliyoruz. Bu, tıpkı üzerinde yaşadığımız Dünya'nın yanı sıra Venüs ve Mars gibi gezegenlerin de Güneş etrafında dönmesi gibidir. Her elektronun belirli bir enerji miktarı vardır ve belirli bir yörüngede bulunur; başka bir deyişle, her yörüngenin belirli bir enerji seviyesi vardır.
Atom çekirdeğine daha yakın yörünge enerji seviyeleri daha düşük, atom çekirdeğinden daha uzak yörünge enerji seviyeleri ise daha yüksektir.Yörüngeler arasındaki enerji seviyesi farkının büyüklüğüne enerji seviyesi farkı denir. Elektronlar düşük bir enerji seviyesinden yüksek bir enerji seviyesine geçerken, karşılık gelen enerji seviyesi farkında enerji absorbe etmeleri gerekir.
Optik fiberlerde, belirli bir enerji seviyesindeki elektronlar, enerji seviyesi farkına karşılık gelen dalga boyundaki ışıkla ışınlandığında, düşük enerjili orbitallerde bulunan elektronlar daha yüksek enerji seviyelerine sahip orbitallere geçiş yaparlar.Bu elektron ışık enerjisini emer ve bunun sonucunda ışık kaybı meydana gelir.
Optik fiberlerin üretiminde kullanılan temel malzeme olan silikon dioksit (SiO2), kendisi de ışığı emer; bunlardan biri ultraviyole emilimi, diğeri ise kızılötesi emilimidir. Şu anda fiber optik iletişim genellikle yalnızca 0,8-1,6 μm dalga boyu aralığında çalışmaktadır, bu nedenle yalnızca bu çalışma alanındaki kayıpları ele alacağız.
Kuvars camındaki elektronik geçişler tarafından oluşturulan soğurma tepe noktası, ultraviyole bölgesinde yaklaşık 0,1-0,2 μm dalga boyundadır. Dalga boyu arttıkça, soğurma kademeli olarak azalır, ancak etkilenen alan geniştir ve 1 μm'nin üzerindeki dalga boylarına ulaşır. Bununla birlikte, UV soğurması, kızılötesi bölgede çalışan kuvars optik fiberler üzerinde çok az etkiye sahiptir. Örneğin, görünür ışık bölgesinde 0,6 μm dalga boyunda ultraviyole soğurması 1 dB/km'ye ulaşabilir, bu değer 0,8 μm dalga boyunda 0,2-0,3 dB/km'ye ve 1,2 μm dalga boyunda sadece yaklaşık 0,1 dB/km'ye düşer.
Kuvars fiberin kızılötesi soğurma kaybı, malzemenin kızılötesi bölgedeki moleküler titreşiminden kaynaklanır. 2 μm'nin üzerindeki frekans bandında birkaç titreşim soğurma tepe noktası bulunur. Optik fiberlerdeki çeşitli katkı maddelerinin etkisi nedeniyle, kuvars fiberlerin 2 μm'nin üzerindeki frekans bandında düşük kayıp aralığına sahip olması mümkün değildir. 1,85 μm dalga boyundaki teorik sınır kaybı ldB/km'dir.Araştırmalar sonucunda, kuvars camda sorunlara neden olan bazı "yıkıcı moleküllerin" olduğu, bunların başlıcalarının bakır, demir, krom, manganez gibi zararlı geçiş metal safsızlıkları olduğu da tespit edilmiştir. Bu "kötü adamlar", ışık altında ışık enerjisini açgözlülükle emerek, sürekli hareket edip ışık enerjisi kaybına neden olmaktadır. Bu "sorun çıkaran" moleküllerin ortadan kaldırılması ve optik fiber üretiminde kullanılan malzemelerin kimyasal olarak saflaştırılması, kayıpları büyük ölçüde azaltabilir.
Kuvars optik fiberlerdeki bir diğer soğurma kaynağı ise hidroksit (OH-) fazıdır. Hidroksitin fiberin çalışma bandında 0,95 μm, 1,24 μm ve 1,38 μm olmak üzere üç soğurma tepe noktasına sahip olduğu bulunmuştur. Bunlar arasında, 1,38 μm dalga boyundaki soğurma kaybı en şiddetlidir ve fiber üzerinde en büyük etkiye sahiptir. 1,38 μm dalga boyunda, yalnızca 0,0001 oranında hidroksit iyonlarının oluşturduğu soğurma tepe noktası kaybı 33 dB/km kadar yüksektir.
Bu hidroksit iyonları nereden geliyor? Hidroksit iyonlarının birçok kaynağı vardır. Birincisi, optik fiberlerin üretiminde kullanılan malzemeler nem ve hidroksit bileşikleri içerir; bunlar hammadde saflaştırma işlemi sırasında uzaklaştırılması zor maddelerdir ve sonuçta optik fiberlerde hidroksit iyonları şeklinde kalırlar. İkincisi, optik fiberlerin üretiminde kullanılan hidrojen ve oksijen bileşikleri az miktarda nem içerir. Üçüncüsü, kimyasal reaksiyonlar nedeniyle optik fiberlerin üretim sürecinde su oluşur. Dördüncüsü ise dışarıdan gelen havanın su buharı getirmesidir. Bununla birlikte, üretim süreci günümüzde önemli ölçüde gelişmiştir ve hidroksit iyonlarının içeriği, optik fiberler üzerindeki etkisinin göz ardı edilebileceği kadar düşük bir seviyeye indirilmiştir.
Yayın tarihi: 23 Ekim 2025