1. Các yếu tố chính gây ra suy hao sợi quang là:
Bên trong, uốn cong, ép, tạp chất, không đồng đều và hớt, v.v.
Nội tại: Là sự mất mát vốn có của sợi quang, bao gồm: tán xạ Rayleigh, hấp thụ cố hữu, v.v.
Uốn cong: Khi sợi quang bị uốn cong, một phần ánh sáng trong sợi quang sẽ bị mất đi do hiện tượng tán xạ, gây suy hao.
Bóp: Suy hao do sợi quang bị uốn cong nhẹ khi bóp.
Tạp chất: Các tạp chất trong sợi quang hấp thụ và tán xạ ánh sáng truyền trong sợi quang và gây ra suy hao.
Tính không đồng nhất: Suy hao do chiết suất của vật liệu sợi quang không đồng nhất.
Kết nối nút: Suy hao do kết nối đầu sợi, chẳng hạn như: trục khác (yêu cầu độ đồng trục của sợi đơn mode nhỏ hơn 0,8μm), mặt cuối không vuông góc với trục, mặt cuối không phẳng, đường kính lõi đối xứng không khớp , và chất lượng mối nối là kém.
Khi ánh sáng đi vào từ một đầu của sợi quang và đi ra từ đầu kia, cường độ của ánh sáng sẽ bị suy yếu. Điều này có nghĩa là sau khi tín hiệu quang truyền qua sợi quang, năng lượng ánh sáng bị suy giảm một phần. Điều này cho thấy có một số chất trong sợi quang hoặc vì một lý do nào đó, cản trở sự truyền tín hiệu ánh sáng. Đây là suy hao truyền dẫn của cáp quang. Chỉ bằng cách giảm suy hao sợi quang thì luồng tín hiệu quang mới không bị cản trở.
2. Phân loại suy hao sợi
Sự mất chất xơ có thể được chia đại khái thành phần mất đi vốn có của chất xơ và phần mất thêm do điều kiện sử dụng gây ra sau khi sợi được tạo ra. Phân tích cụ thể như sau:
Mất chất xơ có thể được chia thành hao hụt cố hữu và hao hụt bổ sung.
Suy hao nội tại bao gồm suy hao tán xạ, suy giảm hấp thụ và suy hao do cấu trúc sợi không hoàn hảo.
Suy hao bổ sung bao gồm mất mát do uốn vi mô, suy giảm do uốn và mất mối nối.
Trong số đó, tổn thất bổ sung được gây ra một cách nhân tạo trong quá trình đặt cáp quang. Trong các ứng dụng thực tế, việc nối từng sợi quang một là điều không thể tránh khỏi, việc nối sợi quang sẽ gây ra hiện tượng suy hao. Vi uốn, ép và kéo căng của sợi quang sẽ gây ra suy hao. Đây là những tổn thất gây ra bởi các điều kiện sử dụng của cáp quang. Nguyên nhân chính là trong những điều kiện này, chế độ truyền dẫn trong lõi sợi quang đã thay đổi. Mất mát bổ sung có thể được tránh càng nhiều càng tốt. Dưới đây, chúng tôi chỉ thảo luận về sự suy hao vốn có của sợi quang.
Suy hao nội tại, suy hao tán xạ và suy hao hấp thụ được xác định bởi các đặc tính của bản thân vật liệu sợi, và suy hao nội tại gây ra bởi các bước sóng hoạt động khác nhau cũng khác nhau. Hiểu được cơ chế của suy hao và phân tích định lượng kích thước của suy hao do các yếu tố khác nhau gây ra là vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của sợi quang suy hao thấp và sử dụng hợp lý sợi quang.
3. Sự mất mát hấp thụ của vật liệu
Vật liệu làm sợi quang có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng. Sau khi các phần tử trong vật liệu sợi quang học hấp thụ năng lượng ánh sáng, chúng tạo ra rung động và nhiệt, và năng lượng bị tiêu tán, dẫn đến mất khả năng hấp thụ.
Chúng ta biết rằng vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và phân tử, và nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt nhân và các electron ngoại nhân. Các êlectron quay quanh hạt nhân theo một quỹ đạo nhất định. Điều này cũng giống như trái đất và các hành tinh như sao Kim và sao Hỏa mà chúng ta đang sống xoay quanh mặt trời. Mỗi electron có một mức năng lượng nhất định và nằm trong một quỹ đạo nhất định, hoặc mỗi quỹ đạo có một mức năng lượng nhất định. Mức năng lượng của quỹ đạo gần hạt nhân thấp hơn và mức năng lượng của quỹ đạo xa hạt nhân cao hơn. Độ lớn của chênh lệch mức năng lượng này giữa các obitan được gọi là chênh lệch mức năng lượng. Khi một êlectron chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao thì nó phải hấp thụ năng lượng của sự chênh lệch mức năng lượng tương ứng.
Trong sợi quang, khi các điện tử ở một mức năng lượng nhất định được chiếu bằng ánh sáng có bước sóng tương ứng với sự chênh lệch mức năng lượng thì các điện tử nằm trên quỹ đạo mức năng lượng thấp hơn sẽ chuyển lên quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn. Điện tử này hấp thụ năng lượng ánh sáng, dẫn đến mất khả năng hấp thụ ánh sáng.
Vật liệu cơ bản của sợi quang học, silicon dioxide (SiO2) tự nó hấp thụ ánh sáng, một chất được gọi là hấp thụ tia cực tím, và chất kia được gọi là hấp thụ hồng ngoại. Hiện tại, thông tin liên lạc bằng sợi quang thường chỉ hoạt động trong vùng bước sóng 0,8-1,6μm, vì vậy chúng ta chỉ thảo luận về suy hao trong vùng làm việc này.
Đỉnh hấp thụ tạo ra bởi quá trình chuyển đổi điện tử trong thủy tinh thạch anh có bước sóng khoảng 0,1 ～ 0,2μm trong vùng tử ngoại. Khi bước sóng tăng lên, sự hấp thụ của nó giảm dần, nhưng vùng ảnh hưởng rất rộng, lên đến bước sóng trên 1 μm. Tuy nhiên, sự hấp thụ tia cực tím ít ảnh hưởng đến sợi thạch anh hoạt động trong vùng hồng ngoại. Ví dụ, trong vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng 0,6μm, sự hấp thụ tia cực tím có thể đạt 1dB / km và nó giảm xuống 0,2 ～ 0,3dB / km ở bước sóng 0,8μm, trong khi ở bước sóng 1,2μm, nó chỉ khoảng 0,1db / km.
Sự mất hấp thụ tia hồng ngoại của sợi thạch anh là do dao động phân tử của vật liệu trong vùng hồng ngoại. Có một số cực đại hấp thụ dao động trong dải trên 2μm. Do ảnh hưởng của các phần tử pha tạp khác nhau trong sợi quang, sợi thạch anh không thể có cửa sổ suy hao thấp trong dải bước sóng trên 2μm. Suy hao giới hạn lý thuyết ở bước sóng 1,85μm là lDB / km.
Qua nghiên cứu, người ta cũng thấy rằng có một số" phá hủy các phân tử" trong thủy tinh thạch anh, chủ yếu là một số tạp chất kim loại chuyển tiếp có hại, chẳng hạn như đồng, sắt, crom, mangan, ... Dưới ánh sáng, những" kẻ xấu" tham lam hấp thụ năng lượng ánh sáng và nhảy xung quanh, làm thất thoát năng lượng ánh sáng. Loại bỏ" trình gỡ rối" và làm sạch về mặt hóa học các vật liệu được sử dụng để tạo ra sợi quang học có thể làm giảm đáng kể tổn thất.
Một nguồn hấp thụ khác trong sợi silica là nghiên cứu về thời kỳ hydroxit (OHˉ). Người ta nhận thấy rằng hiđroxit có ba cực đại hấp thụ trong vùng làm việc của sợi là 0,95μm, 1,24μm và 1,38μm, trong đó bước sóng 1,38μm Sự mất mát hấp thụ là nghiêm trọng nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đến cáp quang. Ở bước sóng 1,38μm, suy hao đỉnh hấp thụ của hydroxit có hàm lượng chỉ 0,0001 cao tới 33dB / km.
Các gốc hydroxit này đến từ đâu? Có nhiều gốc hiđroxit. Một là có nước và các hợp chất hydroxit trong các vật liệu được sử dụng để làm sợi quang học. Các hydroxit này không dễ bị loại bỏ trong quá trình tinh chế nguyên liệu thô, và cuối cùng vẫn tồn tại trong sợi quang dưới dạng hydroxit; Hydroxit của sợi quang chứa một lượng nhỏ hơi ẩm; thứ ba, nước được tạo ra do các phản ứng hóa học trong quá trình sản xuất sợi quang học; thứ tư, hơi nước được mang lại do sự xâm nhập của không khí bên ngoài. Tuy nhiên, quy trình sản xuất hiện nay đã được phát triển đến mức rất cao, và hàm lượng các gốc hydroxit đã được giảm xuống mức đủ thấp, và tác động của nó lên sợi quang là không đáng kể.
4, mất mát phân tán
Trong bóng tối, chiếu đèn pin vào không trung, bạn có thể nhìn thấy một chùm ánh sáng. Người ta cũng đã nhìn thấy những chùm sáng lớn từ những chiếc đèn rọi trên bầu trời qua đêm. Vậy tại sao chúng ta lại nhìn thấy những chùm ánh sáng này? Điều này là do có nhiều hạt nhỏ như khói và bụi bay lơ lửng trong khí quyển. Ánh sáng chiếu vào các hạt này và phân tán chúng và bắn chúng ra mọi hướng. Hiện tượng này do Rayleigh phát hiện đầu tiên nên người ta đặt tên cho loại tán xạ này là" tán xạ Rayleigh" ;.
Hiện tượng tán xạ xảy ra như thế nào? Các phân tử, nguyên tử, electron và các hạt nhỏ bé khác ban đầu cấu tạo nên các chất dao động ở các tần số tự nhiên nhất định và có thể phát ra ánh sáng có bước sóng tương ứng với tần số dao động. Tần số dao động của hạt do kích thước của hạt quyết định. Hạt càng lớn, tần số dao động càng thấp, và bước sóng của ánh sáng phát ra càng dài; hạt càng nhỏ, tần số dao động càng cao và bước sóng của ánh sáng phát ra càng ngắn. Tần số dao động này được gọi là tần số dao động tự nhiên của hạt. Nhưng loại rung động này không phải tự nó tạo ra, nó cần một lượng năng lượng nhất định. Khi một hạt được chiếu xạ bằng ánh sáng có bước sóng nhất định và tần số của ánh sáng được chiếu bằng tần số dao động tự nhiên của hạt thì hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra. Các êlectron trong hạt bắt đầu dao động với tần số dao động. Kết quả là, hạt phân tán ánh sáng theo mọi hướng, và năng lượng của ánh sáng tới được hấp thụ và chuyển thành năng lượng của hạt, và hạt lại phát ra năng lượng dưới dạng năng lượng ánh sáng. Do đó, đối với những người quan sát từ bên ngoài, những gì họ nhìn thấy giống như thể ánh sáng chiếu vào các hạt và sau đó bay ra mọi hướng.
Tán xạ Rayleigh cũng có trong sợi quang, và suy hao quang học được gọi là suy hao tán xạ Rayleigh. Xét về trình độ công nghệ chế tạo cáp quang hiện nay, có thể nói suy hao tán xạ Rayleigh là khó tránh khỏi. Tuy nhiên, vì kích thước của suy hao tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng ánh sáng, ảnh hưởng của suy hao tán xạ Rayleigh có thể giảm đáng kể khi sợi quang hoạt động trong vùng bước sóng dài.
5. Thiếu bẩm sinh, không khỏi
Cấu trúc sợi không hoàn hảo như bọt khí, tạp chất hoặc độ dày trong sợi không đồng đều, đặc biệt là bề mặt lớp bọc lõi không nhẵn, ... Khi ánh sáng truyền đến những nơi này, một phần ánh sáng sẽ bị tán xạ theo mọi hướng. , gây thất thoát. Sự mất mát này có thể được khắc phục bằng cách tìm cách cải tiến quy trình sản xuất sợi quang.
Tán xạ làm cho ánh sáng phát ra theo mọi hướng, và một phần ánh sáng tán xạ bị phản xạ ngược lại theo hướng ngược lại với hướng lan truyền của sợi quang. Phần ánh sáng tán xạ này có thể nhận được ở đầu tới của sợi quang. Sự tán xạ ánh sáng làm thất thoát một phần năng lượng ánh sáng là điều không mong muốn. Tuy nhiên, hiện tượng này cũng có thể được chúng tôi sử dụng, bởi vì nếu chúng tôi phân tích cường độ của phần này của ánh sáng nhận được ở đầu truyền, chúng tôi có thể kiểm tra điểm đứt, khuyết tật và mất sợi. Bằng cách này, thông qua sự khéo léo của con người, những điều xấu có thể được biến thành điều tốt.