ऑप्टिकल फाइबर सामग्रियों में अवशोषण हानि की विस्तृत व्याख्या

ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण में प्रयुक्त पदार्थ प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित कर सकता है। ऑप्टिकल फाइबर सामग्री में मौजूद कण प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करने के बाद कंपन और ऊष्मा उत्पन्न करते हैं, जिससे ऊर्जा का क्षय होता है और अवशोषण में कमी आती है।यह लेख ऑप्टिकल फाइबर सामग्रियों के अवशोषण हानि का विश्लेषण करेगा।

हम जानते हैं कि पदार्थ परमाणुओं और अणुओं से बना होता है, और परमाणु परमाणु नाभिक और बाह्यनाभिकीय इलेक्ट्रॉनों से मिलकर बने होते हैं, जो परमाणु नाभिक के चारों ओर एक निश्चित कक्षा में घूमते हैं। यह ठीक उसी तरह है जैसे हमारी पृथ्वी, साथ ही शुक्र और मंगल जैसे ग्रह, सभी सूर्य के चारों ओर चक्कर लगाते हैं। प्रत्येक इलेक्ट्रॉन में एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा होती है और वह एक निश्चित कक्षा में होता है, या दूसरे शब्दों में, प्रत्येक कक्षा का एक निश्चित ऊर्जा स्तर होता है।

परमाणु नाभिक के निकट स्थित कक्षीय ऊर्जा स्तर निम्न होते हैं, जबकि परमाणु नाभिक से दूर स्थित कक्षीय ऊर्जा स्तर उच्च होते हैं।कक्षाओं के बीच ऊर्जा स्तर के अंतर के परिमाण को ऊर्जा स्तर अंतर कहा जाता है। जब इलेक्ट्रॉन निम्न ऊर्जा स्तर से उच्च ऊर्जा स्तर में संक्रमण करते हैं, तो उन्हें संबंधित ऊर्जा स्तर अंतर पर ऊर्जा अवशोषित करने की आवश्यकता होती है।

ऑप्टिकल फाइबर में, जब किसी निश्चित ऊर्जा स्तर पर स्थित इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा स्तर के अंतर के अनुरूप तरंगदैर्ध्य के प्रकाश से विकिरणित किया जाता है, तो कम ऊर्जा वाले कक्षकों में स्थित इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर वाले कक्षकों में स्थानांतरित हो जाते हैं।यह इलेक्ट्रॉन प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रकाश का अवशोषण नुकसान होता है।

ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण के लिए आवश्यक मूल पदार्थ सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) स्वयं प्रकाश को अवशोषित करता है, जिसे पराबैंगनी अवशोषण और अवरक्त अवशोषण कहा जाता है। वर्तमान में, फाइबर ऑप्टिक संचार आमतौर पर केवल 0.8-1.6 μm की तरंगदैर्ध्य सीमा में ही संचालित होता है, इसलिए हम केवल इसी क्षेत्र में होने वाली हानियों पर चर्चा करेंगे।

क्वार्ट्ज़ ग्लास में इलेक्ट्रॉनिक संक्रमणों द्वारा उत्पन्न अवशोषण शिखर पराबैंगनी क्षेत्र में लगभग 0.1-0.2 μm तरंगदैर्ध्य पर होता है। तरंगदैर्ध्य बढ़ने के साथ, इसका अवशोषण धीरे-धीरे कम होता जाता है, लेकिन प्रभावित क्षेत्र विस्तृत होता है, जो 1 μm से अधिक तरंगदैर्ध्य तक पहुँचता है। हालांकि, पराबैंगनी अवशोषण का अवरक्त क्षेत्र में काम करने वाले क्वार्ट्ज़ ऑप्टिकल फाइबर पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, दृश्य प्रकाश क्षेत्र में 0.6 μm तरंगदैर्ध्य पर, पराबैंगनी अवशोषण 1dB/km तक पहुँच सकता है, जो 0.8 μm तरंगदैर्ध्य पर घटकर 0.2-0.3dB/km हो जाता है, और 1.2 μm तरंगदैर्ध्य पर केवल लगभग 0.1dB/km रह जाता है।

क्वार्ट्ज फाइबर का अवरक्त अवशोषण हानि अवरक्त क्षेत्र में पदार्थ के आणविक कंपन के कारण उत्पन्न होता है। 2 μm से ऊपर की आवृत्ति बैंड में कई कंपन अवशोषण शिखर होते हैं। ऑप्टिकल फाइबर में विभिन्न डोपिंग तत्वों के प्रभाव के कारण, क्वार्ट्ज फाइबर के लिए 2 μm से ऊपर की आवृत्ति बैंड में न्यूनतम हानि वाला क्षेत्र प्राप्त करना असंभव है। 1.85 μm की तरंगदैर्ध्य पर सैद्धांतिक सीमा हानि ldB/km है।शोध से यह भी पता चला है कि क्वार्ट्ज़ ग्लास में कुछ "हानिकारक अणु" मौजूद होते हैं, जो मुख्य रूप से तांबा, लोहा, क्रोमियम, मैंगनीज आदि जैसी हानिकारक संक्रमण धातु अशुद्धियाँ हैं। ये 'हानिकारक अणु' प्रकाश की रोशनी में प्रकाश ऊर्जा को लालचपूर्वक अवशोषित करते हैं, जिससे प्रकाश ऊर्जा की हानि होती है। इन 'हानिकारक अणुओं' को हटाकर और ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण में उपयोग होने वाली सामग्रियों को रासायनिक रूप से शुद्ध करके हानि को काफी हद तक कम किया जा सकता है।

क्वार्ट्ज ऑप्टिकल फाइबर में अवशोषण का एक अन्य स्रोत हाइड्रॉक्साइड (OH-) चरण है। यह पाया गया है कि फाइबर के कार्यशील बैंड में हाइड्रॉक्साइड के तीन अवशोषण शिखर होते हैं, जो 0.95 μm, 1.24 μm और 1.38 μm हैं। इनमें से, 1.38 μm तरंगदैर्ध्य पर अवशोषण हानि सबसे अधिक होती है और फाइबर पर इसका सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है। 1.38 μm तरंगदैर्ध्य पर, केवल 0.0001 की मात्रा वाले हाइड्रॉक्साइड आयनों द्वारा उत्पन्न अवशोषण शिखर हानि 33 dB/km तक होती है।

ये हाइड्रॉक्साइड आयन कहाँ से आते हैं? हाइड्रॉक्साइड आयनों के कई स्रोत हैं। पहला, ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण में उपयोग होने वाली सामग्रियों में नमी और हाइड्रॉक्साइड यौगिक होते हैं, जिन्हें कच्चे माल के शुद्धिकरण प्रक्रिया के दौरान निकालना मुश्किल होता है और अंततः ये ऑप्टिकल फाइबर में हाइड्रॉक्साइड आयनों के रूप में रह जाते हैं; दूसरा, ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण में उपयोग होने वाले हाइड्रोजन और ऑक्सीजन यौगिकों में थोड़ी मात्रा में नमी होती है; तीसरा, रासायनिक अभिक्रियाओं के कारण ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण प्रक्रिया के दौरान पानी उत्पन्न होता है; चौथा, बाहरी हवा के प्रवेश से जल वाष्प आ जाता है। हालांकि, निर्माण प्रक्रिया अब काफी विकसित हो चुकी है, और हाइड्रॉक्साइड आयनों की मात्रा इतनी कम हो गई है कि ऑप्टिकल फाइबर पर इसके प्रभाव को नगण्य माना जा सकता है।