材料的吸收損耗

　　制造光纖的材料能夠吸收光能。光纖材料中的粒子吸收光能以后，產(chǎn)生振動(dòng)、發(fā)熱，而將能量散失掉，這樣就產(chǎn)生了吸收損耗。

　　我們知道，物質(zhì)是由原子、分子構(gòu)成的，而原子又由原子核和核外電子組成，電子以一定的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。這就像我們生活的地球以及金星、火星等行星都圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一樣，每一個(gè)電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說(shuō)每一軌道都有一個(gè)確定的能級(jí)。距原子核近的軌道能級(jí)較低，距原子核越遠(yuǎn)的軌道能級(jí)越高。軌道之間的這種能級(jí)差別的大小就叫能級(jí)差。當(dāng)電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，就要吸收相應(yīng)級(jí)別的能級(jí)差的能量。

　　在光纖中，當(dāng)某一能級(jí)的電子受到與該能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的光照射時(shí)，則位于低能級(jí)軌道上的電子將躍遷到能級(jí)高的軌道上。這一電子吸收了光能，就產(chǎn)生了光的吸收損耗。

　　制造光纖的基本材料二氧化硅（SiO₂）本身就吸收光，一個(gè)叫紫外吸收，另外一個(gè)叫紅外吸收。目前光纖通信一般僅工作在0.8～1.6μm波長(zhǎng)區(qū)，因此我們只討論這一工作區(qū)的損耗。

　　石英玻璃中電子躍遷產(chǎn)生的吸收峰在紫外區(qū)的0.1～0.2μm波長(zhǎng)左右。隨著波長(zhǎng)增大，其吸收作用逐漸減小，但影響區(qū)域很寬，直到1μm以上的波長(zhǎng)。不過(guò)，紫外吸收對(duì)在紅外區(qū)工作的石英光纖的影響不大。例如，在0.6μm波長(zhǎng)的可見光區(qū)，紫外吸收可達(dá)1dB／km，在0.8μm波長(zhǎng)時(shí)降到0.2～0.3dB／km，而在1.2μm波長(zhǎng)時(shí)，大約只有0.ldB／km。

　　石英光纖的紅外吸收損耗是由紅外區(qū)材料的分子振動(dòng)產(chǎn)生的。在2μm以上波段有幾個(gè)振動(dòng)吸收峰。由于受光纖中各種摻雜元素的影響，石英光纖在2μm以上的波段不可能出現(xiàn)低損耗窗口，在1.85μm波長(zhǎng)的理論極限損耗為ldB／km。

　　通過(guò)研究，還發(fā)現(xiàn)石英玻璃中有一些“破壞分子”在搗亂，主要是一些有害過(guò)渡金屬雜質(zhì)，如銅、鐵、鉻、錳等。這些“壞蛋”在光照射下，貪婪地吸收光能，亂蹦亂跳，造成了光能的損失。清除“搗亂分子”，對(duì)制造光纖的材料進(jìn)行格的化學(xué)提純，就可以大大降低損耗。

　　石英光纖中的另一個(gè)吸收源是氫氧根（OHˉ) 期的研究，人們發(fā)現(xiàn)氫氧根在光纖工作波段上有三個(gè)吸收峰，它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波長(zhǎng)的吸收損耗最為嚴(yán)重，對(duì)光纖的影響也最大。在1.38μm波長(zhǎng)，含量?jī)H占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達(dá)33dB/km。

　　那么，這些氫氧根是從哪里來(lái)的呢？氫氧根的來(lái)源很多，一是制造光纖的材料中有水分和氫氧化合物，這些氫氧化合物在原料提純過(guò)程中不易被清除掉，最后仍以氫氧根的形式殘留在光纖中；二是制造光纖的氫氧物中含有少量的水分；三是光纖的制造過(guò)程中因化學(xué)反應(yīng)而生成了水；四是外界空氣的進(jìn)入帶來(lái)了水蒸氣。然而，現(xiàn)在的制造工藝已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，氫氧根的含量已經(jīng)降到了足夠低的程度，它對(duì)光纖的影響可以忽略不計(jì)了。

　
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