광섬유 제조에 사용되는 재료는 빛 에너지를 흡수할 수 있습니다. 광섬유 재료의 입자는 빛 에너지를 흡수한 후 진동과 열을 발생시키고, 에너지를 소산시켜 흡수 손실을 초래합니다.본 논문에서는 광섬유 소재의 흡수 손실을 분석한다.
우리는 물질이 원자와 분자로 이루어져 있고, 원자는 원자핵과 핵외 전자로 이루어져 있으며, 전자는 원자핵 주위를 특정 궤도로 돌고 있다는 것을 알고 있습니다. 이는 우리가 살고 있는 지구뿐만 아니라 금성이나 화성 같은 행성들이 모두 태양 주위를 공전하는 것과 같습니다. 각 전자는 특정 양의 에너지를 가지고 특정 궤도에 있습니다. 다시 말해, 각 궤도는 특정 에너지 준위를 가지고 있습니다.
원자핵에 가까운 궤도 에너지 준위는 낮고, 원자핵에서 멀리 떨어진 궤도 에너지 준위는 높습니다.궤도 간 에너지 준위 차이의 크기를 에너지 준위 차이라고 합니다. 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이할 때, 전자는 해당 에너지 준위 차이에서 에너지를 흡수해야 합니다.
광섬유에서 특정 에너지 레벨의 전자에 에너지 레벨 차이에 해당하는 파장의 빛을 조사하면, 낮은 에너지 오비탈에 위치한 전자는 더 높은 에너지 레벨의 오비탈로 전이합니다.이 전자는 빛 에너지를 흡수하여 빛의 흡수 손실을 초래합니다.
광섬유 제조의 기본 재료인 이산화규소(SiO2)는 자체적으로 빛을 흡수하는데, 하나는 자외선 흡수이고 다른 하나는 적외선 흡수입니다. 현재 광섬유 통신은 일반적으로 0.8~1.6μm 파장 범위에서만 작동하므로, 이 영역에서 발생하는 손실에 대해서만 논의하겠습니다.
석영 유리에서 전자 전이에 의해 생성되는 흡수 피크는 자외선 영역에서 약 0.1~0.2 μm 파장입니다. 파장이 증가함에 따라 흡수율은 점차 감소하지만, 영향받는 영역은 넓어 1 μm 이상의 파장에 도달합니다. 그러나 자외선 흡수는 적외선 영역에서 작동하는 석영 광섬유에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 예를 들어, 가시광선 영역인 파장 0.6 μm에서는 자외선 흡수율이 최대 1dB/km에 달할 수 있지만, 0.8 μm에서는 0.2~0.3dB/km로 감소하고, 1.2 μm에서는 약 0.1dB/km에 불과합니다.
석영 광섬유의 적외선 흡수 손실은 적외선 영역에서 물질의 분자 진동에 의해 발생합니다. 2μm 이상의 주파수 대역에는 여러 개의 진동 흡수 피크가 있습니다. 광섬유에 포함된 다양한 도핑 원소의 영향으로 인해 석영 광섬유가 2μm 이상의 주파수 대역에서 낮은 손실 윈도우를 갖는 것은 불가능합니다. 1.85μm 파장에서의 이론적인 한계 손실은 ldB/km입니다.연구를 통해 석영 유리에 문제를 일으키는 몇 가지 "파괴 분자"가 존재함을 발견했는데, 주로 구리, 철, 크롬, 망간 등과 같은 유해한 전이 금속 불순물입니다. 이러한 "악당"은 빛이 비추면 빛 에너지를 탐욕스럽게 흡수하고, 쉴 새 없이 뛰어다니며 빛 에너지 손실을 유발합니다. 이러한 "악당"을 제거하고 광섬유 제조에 사용되는 재료를 화학적으로 정제하면 손실을 크게 줄일 수 있습니다.
석영 광섬유의 또 다른 흡수원은 수산화물(OH-) 상입니다. 수산화물은 광섬유의 작동 대역에서 0.95 μm, 1.24 μm, 그리고 1.38 μm의 세 가지 흡수 피크를 갖는 것으로 밝혀졌습니다. 이 중 1.38 μm 파장에서의 흡수 손실이 가장 심각하며 광섬유에 가장 큰 영향을 미칩니다. 1.38 μm 파장에서 수산화물 이온 함량이 0.0001에 불과한 경우에도 흡수 피크 손실은 최대 33dB/km에 달합니다.
이러한 수산화물 이온은 어디에서 오는 것일까요? 수산화물 이온의 발생원은 다양합니다. 첫째, 광섬유 제조에 사용되는 재료에는 수분과 수산화물 화합물이 포함되어 있는데, 이는 원료 정제 과정에서 제거하기 어려워 광섬유 내부에 수산화물 이온 형태로 남게 됩니다. 둘째, 광섬유 제조에 사용되는 수소 및 산소 화합물에는 소량의 수분이 포함되어 있습니다. 셋째, 광섬유 제조 공정 중 화학 반응으로 인해 물이 발생합니다. 넷째, 외부 공기가 유입되면 수증기가 발생합니다. 그러나 제조 공정이 상당히 발전하여 수산화물 이온의 함량이 광섬유에 미치는 영향을 무시할 수 있을 정도로 낮아졌습니다.
게시 시간: 2025년 10월 23일