O material usado para fabricar fibras ópticas pode absorver energia luminosa. Depois que as partículas nos materiais da fibra óptica absorvem a energia luminosa, elas produzem vibração e calor, dissipando a energia e resultando em perda por absorção.Este artigo analisará a perda por absorção em materiais de fibra óptica.
Sabemos que a matéria é composta de átomos e moléculas, e que os átomos são compostos de núcleos atômicos e elétrons extranucleares, que giram em torno do núcleo atômico em uma determinada órbita. Assim como a Terra em que vivemos, e planetas como Vênus e Marte, todos orbitam o Sol. Cada elétron possui uma certa quantidade de energia e está em uma órbita específica, ou seja, cada órbita possui um certo nível de energia.
Os níveis de energia orbital mais próximos do núcleo atômico são mais baixos, enquanto os níveis de energia orbital mais distantes do núcleo atômico são mais altos.A magnitude da diferença de nível de energia entre as órbitas é chamada de diferença de nível de energia. Quando os elétrons transitam de um nível de energia baixo para um nível de energia alto, eles precisam absorver energia na diferença de nível de energia correspondente.
Em fibras ópticas, quando elétrons em um determinado nível de energia são irradiados com luz de um comprimento de onda correspondente à diferença entre os níveis de energia, os elétrons localizados em orbitais de baixa energia farão a transição para orbitais com níveis de energia mais altos.Esse elétron absorve energia luminosa, resultando na perda de luz por absorção.
O material básico para a fabricação de fibras ópticas, o dióxido de silício (SiO2), absorve luz, sendo a absorção ultravioleta e a absorção infravermelha. Atualmente, a comunicação por fibra óptica geralmente opera apenas na faixa de comprimento de onda de 0,8 a 1,6 μm, portanto, discutiremos apenas as perdas nessa faixa de operação.
O pico de absorção gerado por transições eletrônicas no vidro de quartzo situa-se em torno de 0,1-0,2 μm de comprimento de onda na região ultravioleta. À medida que o comprimento de onda aumenta, sua absorção diminui gradualmente, mas a área afetada é ampla, atingindo comprimentos de onda acima de 1 μm. No entanto, a absorção ultravioleta tem pouco efeito em fibras ópticas de quartzo que operam na região do infravermelho. Por exemplo, na região da luz visível, em um comprimento de onda de 0,6 μm, a absorção ultravioleta pode atingir 1 dB/km, diminuindo para 0,2-0,3 dB/km em um comprimento de onda de 0,8 μm e para apenas cerca de 0,1 dB/km em um comprimento de onda de 1,2 μm.
A perda por absorção infravermelha da fibra de quartzo é gerada pela vibração molecular do material na região do infravermelho. Existem vários picos de absorção vibracional na faixa de frequência acima de 2 μm. Devido à influência de diversos elementos dopantes em fibras ópticas, é impossível que as fibras de quartzo apresentem uma janela de baixa perda na faixa de frequência acima de 2 μm. O limite teórico de perda em um comprimento de onda de 1,85 μm é de 100 ldB/km.Através de pesquisas, descobriu-se também que existem algumas "moléculas destrutivas" que causam problemas no vidro de quartzo, principalmente impurezas nocivas de metais de transição, como cobre, ferro, cromo, manganês, etc. Esses "vilões" absorvem avidamente a energia luminosa sob a iluminação, oscilando e causando perda de energia luminosa. Eliminar esses "problemas" e purificar quimicamente os materiais usados na fabricação de fibras ópticas pode reduzir significativamente as perdas.
Outra fonte de absorção em fibras ópticas de quartzo é a fase hidróxido (OH⁻). Foi constatado que o hidróxido apresenta três picos de absorção na banda de operação da fibra, localizados em 0,95 μm, 1,24 μm e 1,38 μm. Dentre eles, a perda por absorção no comprimento de onda de 1,38 μm é a mais severa e a que tem o maior impacto na fibra. Nesse comprimento de onda, a perda por absorção gerada por íons hidróxido, mesmo com uma concentração de apenas 0,0001%, chega a 33 dB/km.
De onde vêm esses íons hidróxido? Existem muitas fontes de íons hidróxido. Em primeiro lugar, os materiais usados na fabricação de fibras ópticas contêm umidade e compostos de hidróxido, que são difíceis de remover durante o processo de purificação da matéria-prima e acabam permanecendo na forma de íons hidróxido nas fibras ópticas; em segundo lugar, os compostos de hidrogênio e oxigênio usados na fabricação de fibras ópticas contêm uma pequena quantidade de umidade; em terceiro lugar, a água é gerada durante o processo de fabricação de fibras ópticas devido a reações químicas; em quarto lugar, a entrada de ar externo traz vapor de água. No entanto, o processo de fabricação evoluiu consideravelmente e o teor de íons hidróxido foi reduzido a um nível suficientemente baixo para que seu impacto nas fibras ópticas possa ser ignorado.
Data da publicação: 23/10/2025