ऑप्टिकल फाइबर सामग्रियों में अवशोषण हानि की विस्तृत व्याख्या

ऑप्टिकल फाइबर बनाने में इस्तेमाल होने वाली सामग्री प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित कर सकती है। ऑप्टिकल फाइबर सामग्री के कण प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करने के बाद, कंपन और ऊष्मा उत्पन्न करते हैं, और ऊर्जा का क्षय करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अवशोषण में कमी आती है।यह लेख ऑप्टिकल फाइबर सामग्री के अवशोषण हानि का विश्लेषण करेगा।

हम जानते हैं कि पदार्थ परमाणुओं और अणुओं से बना होता है, और परमाणु परमाणु नाभिक और नाभिकेतर इलेक्ट्रॉनों से बने होते हैं, जो एक निश्चित कक्षा में परमाणु नाभिक के चारों ओर घूमते हैं। यह ठीक उसी तरह है जैसे हम जिस पृथ्वी पर रहते हैं, और शुक्र और मंगल जैसे ग्रह भी सूर्य के चारों ओर घूमते 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 कम होते हैं, जबकि परमाणु नाभिक से दूर स्थित कक्षीय ऊर्जा स्तर अधिक 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 एक निश्चित ऊर्जा स्तर पर इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा स्तर अंतर के अनुरूप तरंगदैर्ध्य के प्रकाश से विकिरणित किया जाता है, तो कम ऊर्जा वाले कक्षकों पर स्थित इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर वाले कक्षकों में स्थानांतरित हो जाएंगे।यह इलेक्ट्रॉन प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित कर लेता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रकाश का अवशोषण नष्ट हो जाता है।

ऑप्टिकल फाइबर निर्माण की मूल सामग्री, सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2), स्वयं प्रकाश को अवशोषित करती है, जिसे पराबैंगनी अवशोषण और अवरक्त अवशोषण कहते हैं। वर्तमान में, फाइबर ऑप्टिक संचार आमतौर पर केवल 0.8-1.6 μ मीटर की तरंगदैर्ध्य सीमा में ही संचालित होता है, इसलिए हम केवल इस कार्य क्षेत्र में होने वाले नुकसानों पर ही चर्चा करेंगे।

क्वार्ट्ज़ काँच में इलेक्ट्रॉनिक संक्रमणों द्वारा उत्पन्न अवशोषण शिखर पराबैंगनी क्षेत्र में लगभग 0.1-0.2 μ मीटर तरंगदैर्ध्य होता है। जैसे-जैसे तरंगदैर्ध्य बढ़ता है, इसका अवशोषण धीरे-धीरे कम होता जाता है, लेकिन प्रभावित क्षेत्र विस्तृत होता है, जिसकी तरंगदैर्ध्य 1 μ मीटर से ऊपर पहुँच जाती है। हालाँकि, अवरक्त क्षेत्र में कार्यरत क्वार्ट्ज़ ऑप्टिकल फाइबर पर पराबैंगनी अवशोषण का बहुत कम प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, 0.6 μ मीटर तरंगदैर्ध्य पर दृश्य प्रकाश क्षेत्र में, पराबैंगनी अवशोषण 1dB/km तक पहुँच सकता है, जो 0.8 μ मीटर तरंगदैर्ध्य पर घटकर 0.2-0.3dB/km हो जाता है, और 1.2 μ मीटर तरंगदैर्ध्य पर केवल लगभग 0.1dB/km रह जाता है।

क्वार्ट्ज़ फाइबर का अवरक्त अवशोषण नुकसान अवरक्त क्षेत्र में पदार्थ के आणविक कंपन द्वारा उत्पन्न होता है। 2 μ मीटर से ऊपर की आवृत्ति बैंड में कई कंपन अवशोषण शिखर होते हैं। ऑप्टिकल फाइबर में विभिन्न अपमिश्रण तत्वों के प्रभाव के कारण, क्वार्ट्ज़ फाइबर के लिए 2 μ मीटर से ऊपर की आवृत्ति बैंड में कम हानि विंडो होना असंभव है। 1.85 μ मीटर तरंगदैर्ध्य पर सैद्धांतिक सीमा हानि ldB/km है।शोध के माध्यम से यह भी पाया गया कि क्वार्ट्ज़ काँच में कुछ "विनाशकारी अणु" भी समस्या उत्पन्न करते हैं, जिनमें मुख्यतः हानिकारक संक्रमण धातु अशुद्धियाँ जैसे तांबा, लोहा, क्रोमियम, मैंगनीज़ आदि शामिल हैं। ये "खलनायक" प्रकाश की रोशनी में लालच से प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, उछलते-कूदते हैं, जिससे प्रकाश ऊर्जा का ह्रास होता है। "उपद्रव पैदा करने वाले" अणुओं को हटाकर और ऑप्टिकल फाइबर बनाने में प्रयुक्त सामग्री का रासायनिक शुद्धिकरण करके नुकसान 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 कार्य बैंड में हाइड्रॉक्साइड के तीन अवशोषण शिखर होते हैं, जो क्रमशः 0.95μm, 1.24μm और 1.38μm हैं। इनमें से, 1.38μm तरंगदैर्ध्य पर अवशोषण हानि सबसे गंभीर होती है और फाइबर पर इसका सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है। 1.38μm तरंगदैर्ध्य पर, केवल 0.0001 की मात्रा वाले हाइड्रॉक्साइड आयनों द्वारा उत्पन्न अवशोषण शिखर हानि 33dB/km जितनी अधिक होती है।

ये हाइड्रॉक्साइड आयन कहाँ से आते हैं? हाइड्रॉक्साइड आयनों के कई स्रोत हैं। सबसे पहले, ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में नमी और हाइड्रॉक्साइड यौगिक होते हैं, जिन्हें कच्चे माल की शुद्धि प्रक्रिया के दौरान निकालना मुश्किल होता है और अंततः ऑप्टिकल फाइबर में हाइड्रॉक्साइड आयनों के रूप में रहते हैं; दूसरे, ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन और ऑक्सीजन यौगिकों में थोड़ी मात्रा में नमी होती है; तीसरा, रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण ऑप्टिकल फाइबर के निर्माण की प्रक्रिया के दौरान पानी उत्पन्न होता है; चौथा यह है कि बाहरी हवा के प्रवेश से जल वाष्प आता है। हालाँकि, विनिर्माण प्रक्रिया अब काफी स्तर तक विकसित हो गई है, और हाइड्रॉक्साइड आयनों की सामग्री को पर्याप्त रूप से कम स्तर तक कम कर दिया गया है कि ऑप्टिकल फाइबर पर इसके प्रभाव को नजरअंदाज किया जा सकता है।