Optik fiberlerin üretiminde kullanılan malzeme ışık enerjisini emebilir. Optik fiber malzemelerdeki parçacıklar ışık enerjisini emdikten sonra titreşim ve ısı üretir ve enerjiyi dağıtarak emilim kaybına neden olur.Bu makalede optik fiber malzemelerin emilim kaybı incelenecektir.
Maddenin atomlardan ve moleküllerden, atomların ise atom çekirdekleri ve atom çekirdeği etrafında belirli bir yörüngede dönen çekirdek dışı elektronlardan oluştuğunu biliyoruz. Tıpkı üzerinde yaşadığımız Dünya'nın ve Venüs ve Mars gibi gezegenlerin Güneş'in etrafında dönmesi gibi. Her elektronun belirli bir enerjisi vardır ve belirli bir yörüngede bulunur; yani her yörüngenin belirli bir enerji seviyesi vardır.
Atom çekirdeğine yakın olan yörünge enerji düzeyleri daha düşükken, atom çekirdeğinden uzak olan yörünge enerji düzeyleri 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 emmeleri 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 seviyeli orbitallere geçiş yapacaktır.Bu elektron ışık enerjisini emer ve bu da ışığın emilerek kaybolmasına neden olur.
Optik fiberlerin üretiminde kullanılan temel malzeme olan silisyum dioksit (SiO2), ışığı emer; bu ikisinden birine ultraviyole, diğerine ise kızılötesi emilim denir. Günümüzde fiber optik iletişim genellikle yalnızca 0,8-1,6 μm dalga boyu aralığında çalıştığından, biz sadece bu çalışma alanındaki kayıpları ele alacağız.
Kuvars camdaki elektronik geçişler tarafından oluşturulan absorpsiyon tepe noktası, ultraviyole bölgesinde yaklaşık 0,1-0,2 μ m dalga boyu aralığındadır. Dalga boyu arttıkça absorpsiyonu kademeli olarak azalır, ancak etkilenen alan geniştir ve 1 μ m'nin üzerindeki dalga boylarına ulaşır. Bununla birlikte, UV absorpsiyonunun kızılötesi bölgede çalışan kuvars optik fiberler üzerinde çok az etkisi vardır. Örneğin, 0,6 μ m dalga boyundaki görünür ışık bölgesinde, ultraviyole absorpsiyonu 1 dB/km'ye ulaşabilirken, 0,8 μ m dalga boyunda 0,2-0,3 dB/km'ye, 1,2 μ m dalga boyunda ise yalnızca yaklaşık 0,1 dB/km'ye düşer.
Kuvars fiberin kızılötesi emilim kaybı, malzemenin kızılötesi bölgedeki moleküler titreşiminden kaynaklanır. 2 μ m'nin üzerindeki frekans bandında birkaç titreşim emilim tepe noktası vardır. Optik fiberlerdeki çeşitli katkı maddelerinin etkisi nedeniyle, kuvars fiberlerin 2 μ m'nin üzerindeki frekans bandında düşük bir kayıp aralığına sahip olması mümkün değildir. 1,85 μ m dalga boyundaki teorik sınır kaybı ldB/km'dir.Araştırmalar sonucunda, kuvars camında sorunlara yol açan bazı "yıkıcı moleküller"in, özellikle de bakır, demir, krom, manganez vb. gibi zararlı geçiş metali safsızlıklarının bulunduğu ortaya çıktı. Bu "kötü niyetliler", ışık altında ışık enerjisini açgözlülükle emerek zıplayıp durarak ışık enerjisi kaybına neden olurlar. "Sorun çıkaranları" ortadan kaldırmak ve optik fiber üretiminde kullanılan malzemeleri kimyasal olarak saflaştırmak, kayıpları büyük ölçüde azaltabilir.
Kuvars optik fiberlerdeki bir diğer emilim kaynağı da hidroksit (OH-) fazıdır. Hidroksitin, fiberin çalışma bandında 0,95 μm, 1,24 μm ve 1,38 μm olmak üzere üç emilim tepe noktasına sahip olduğu bulunmuştur. Bunlar arasında, 1,38 μm dalga boyundaki emilim kaybı en şiddetli olanıdır ve fiber üzerinde en büyük etkiye sahiptir. 1,38 μm dalga boyunda, yalnızca 0,0001 hidroksit iyonu içeriğine sahip iyonların oluşturduğu emilim tepe noktası kaybı 33 dB/km kadar yüksektir.
Bu hidroksit iyonları nereden geliyor? Hidroksit iyonlarının birçok kaynağı vardır. İlk olarak, optik fiber üretiminde kullanılan malzemeler, hammadde arıtma işlemi sırasında uzaklaştırılması zor olan ve nihayetinde optik fiberlerde hidroksit iyonları şeklinde kalan nem ve hidroksit bileşikleri içerir; ikinci olarak, optik fiber üretiminde kullanılan hidrojen ve oksijen bileşikleri az miktarda nem içerir; üçüncü olarak, optik fiberlerin üretim sürecinde kimyasal reaksiyonlar nedeniyle su oluşur; dördüncü olarak, dışarıdan gelen havanın su buharı getirmesi. Ancak, üretim süreci artık önemli bir düzeye ulaşmış ve hidroksit iyonlarının içeriği, optik fiberler üzerindeki etkisinin göz ardı edilebileceği kadar düşük bir seviyeye indirilmiştir.
Gönderim zamanı: 23-Eki-2025