광섬유 재료의 흡수 손실에 대한 상세 설명

광섬유 제조에 사용되는 재료는 빛 에너지를 흡수할 수 있습니다. 광섬유 재료의 입자들이 빛 에너지를 흡수하면 진동과 열을 발생시켜 에너지를 소산시키므로 흡수 손실이 발생합니다.본 논문에서는 광섬유 소재의 흡수 손실을 분석한다.

우리는 물질이 원자와 분자로 이루어져 있고, 원자는 원자핵과 그 주위를 일정한 궤도를 따라 회전하는 전자로 구성되어 있다는 것을 알고 있습니다. 이는 우리가 살고 있는 지구뿐만 아니라 금성, 화성 같은 행성들이 모두 태양 주위를 공전하는 것과 같습니다. 각 전자는 특정한 에너지를 가지고 있으며 특정한 궤도를 따라 움직입니다. 다시 말해, 각 궤도는 특정한 에너지 준위를 가지고 있습니다.

원자핵에 가까운 궤도의 에너지 준위는 낮고, 원자핵에서 멀리 떨어진 궤도의 에너지 준위는 높다.궤도 사이의 에너지 준위 차이의 크기를 에너지 준위 차이라고 합니다. 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 이동할 때, 해당 에너지 준위 차이만큼의 에너지를 흡수해야 합니다.

광섬유에서 특정 에너지 준위에 있는 전자가 에너지 준위 차이에 해당하는 파장의 빛을 받으면, 낮은 에너지 궤도에 있는 전자가 더 높은 에너지 준위의 궤도로 전이됩니다.이 전자는 빛 에너지를 흡수하여 빛의 흡수 손실을 초래합니다.

광섬유 제조의 기본 재료인 이산화규소(SiO2)는 자외선 흡수와 적외선 흡수라는 두 가지 방식으로 빛을 흡수합니다. 현재 광섬유 통신은 일반적으로 0.8~1.6μm 파장 범위에서만 작동하므로, 이 작동 영역에서의 손실에 대해서만 논의하겠습니다.

석영 유리에서 전자 전이에 의해 발생하는 흡수 피크는 자외선 영역에서 약 0.1~0.2μm 파장 부근에 나타납니다. 파장이 증가함에 따라 흡수율은 점차 감소하지만, 영향을 받는 영역은 1μm 이상의 넓은 파장까지 미칩니다. 그러나 자외선 흡수는 적외선 영역에서 작동하는 석영 광섬유에 거의 영향을 미치지 않습니다. 예를 들어, 가시광선 영역인 0.6μm 파장에서 자외선 흡수율은 1dB/km에 달할 수 있지만, 0.8μm에서는 0.2~0.3dB/km로 감소하고, 1.2μm에서는 약 0.1dB/km에 불과합니다.

석영 섬유의 적외선 흡수 손실은 적외선 영역에서 물질의 분자 진동에 의해 발생합니다. 2μm 이상의 주파수 대역에는 여러 개의 진동 흡수 피크가 존재합니다. 광섬유에 첨가되는 다양한 원소들의 영향으로 인해 석영 섬유는 2μm 이상의 주파수 대역에서 손실이 매우 낮은 상태를 유지하는 것이 불가능합니다. 1.85μm 파장에서의 이론적인 손실 한계는 1dB/km입니다.연구를 통해 석영 유리에 문제를 일으키는 몇 가지 "유해 분자"가 존재한다는 사실이 밝혀졌는데, 주로 구리, 철, 크롬, 망간 등과 같은 유해한 전이 금속 불순물입니다. 이러한 "악당"들은 빛이 비추는 환경에서 빛 에너지를 탐욕스럽게 흡수하며 이리저리 움직이면서 빛 에너지 손실을 초래합니다. 이러한 "문제 유발 물질"을 제거하고 광섬유 제조에 사용되는 재료를 화학적으로 정화하면 손실을 크게 줄일 수 있습니다.

석영 광섬유에서 또 다른 흡수원은 수산화물(OH⁻) 상입니다. 수산화물은 광섬유의 작동 대역에서 0.95μm, 1.24μm, 1.38μm의 세 가지 흡수 피크를 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 이 중 1.38μm 파장에서의 흡수 손실이 가장 심각하며 광섬유에 가장 큰 영향을 미칩니다. 1.38μm 파장에서, 단 0.0001의 농도로 존재하는 수산화 이온에 의해 발생하는 흡수 피크 손실은 33dB/km에 달합니다.

이러한 수산화 이온은 어디에서 오는 것일까요? 수산화 이온의 발생원은 다양합니다. 첫째, 광섬유 제조에 사용되는 재료에는 수분과 수산화 화합물이 함유되어 있는데, 이는 원료 정제 과정에서 제거하기 어려워 결국 광섬유 내에 수산화 이온 형태로 남게 됩니다. 둘째, 광섬유 제조에 사용되는 수소 및 산소 화합물에는 소량의 수분이 포함되어 있습니다. 셋째, 광섬유 제조 과정에서 화학 반응으로 인해 물이 생성됩니다. 넷째, 외부 공기의 유입으로 수증기가 유입될 수 있습니다. 하지만 현재 제조 공정이 상당히 발전하여 수산화 이온 함량이 광섬유에 미치는 영향은 무시할 수 있을 정도로 낮아졌습니다.