Le matériau utilisé pour fabriquer les fibres optiques peut absorber l'énergie lumineuse. Une fois absorbées, les particules des fibres optiques produisent des vibrations et de la chaleur, puis dissipent l'énergie, entraînant une perte d'absorption.Cet article analysera la perte d’absorption des matériaux de fibres optiques.
Nous savons que la matière est composée d'atomes et de molécules, et que les atomes sont composés de noyaux atomiques et d'électrons extranucléaires, qui tournent autour du noyau atomique sur une orbite donnée. C'est comme la Terre sur laquelle nous vivons, ainsi que des planètes comme Vénus et Mars, qui tournent toutes autour du Soleil. Chaque électron possède une certaine quantité d'énergie et se trouve sur une orbite donnée ; autrement dit, chaque orbite possède un certain niveau d'énergie.
Les niveaux d’énergie orbitale plus proches du noyau atomique sont plus faibles, tandis que les niveaux d’énergie orbitale plus éloignés du noyau atomique sont plus élevés.L'amplitude de la différence de niveau d'énergie entre les orbites est appelée différence de niveau d'énergie. Lorsque les électrons passent d'un niveau d'énergie faible à un niveau d'énergie élevé, ils doivent absorber l'énergie correspondant à la différence de niveau d'énergie.
Dans les fibres optiques, lorsque des électrons à un certain niveau d'énergie sont irradiés avec une lumière d'une longueur d'onde correspondant à la différence de niveau d'énergie, les électrons situés sur des orbitales à faible énergie passeront à des orbitales avec des niveaux d'énergie plus élevés.Cet électron absorbe l’énergie lumineuse, ce qui entraîne une perte d’absorption de lumière.
Le dioxyde de silicium (SiO₂), matériau de base des fibres optiques, absorbe la lumière, soit dans les ultraviolets, soit dans les infrarouges. Actuellement, la communication par fibre optique ne fonctionne généralement que dans la gamme de longueurs d'onde comprise entre 0,8 et 1,6 µm ; nous n'aborderons donc ici que les pertes.
Le pic d'absorption généré par les transitions électroniques dans le verre de quartz se situe autour de 0,1-0,2 μm de longueur d'onde dans l'ultraviolet. À mesure que la longueur d'onde augmente, son absorption diminue progressivement, mais la zone affectée est large, atteignant des longueurs d'onde supérieures à 1 μm. Cependant, l'absorption UV a peu d'effet sur les fibres optiques en quartz fonctionnant dans l'infrarouge. Par exemple, dans le visible à une longueur d'onde de 0,6 μm, l'absorption ultraviolette peut atteindre 1 dB/km, puis chute à 0,2-0,3 dB/km à une longueur d'onde de 0,8 μm, et seulement environ 0,1 dB/km à une longueur d'onde de 1,2 μm.
La perte d'absorption infrarouge d'une fibre de quartz est générée par la vibration moléculaire du matériau dans l'infrarouge. On observe plusieurs pics d'absorption vibratoire dans la bande de fréquences supérieure à 2 μm. En raison de l'influence de divers dopants dans les fibres optiques, il est impossible pour les fibres de quartz d'avoir une fenêtre de faible perte dans la bande de fréquences supérieure à 2 μm. La perte limite théorique à une longueur d'onde de 1,85 μm est de ldB/km.Des recherches ont également révélé la présence de molécules nocives dans le verre de quartz, principalement des impuretés nocives de métaux de transition comme le cuivre, le fer, le chrome et le manganèse. Ces molécules absorbent avidement l'énergie lumineuse sous l'effet de la lumière, sautant sans cesse, provoquant une perte d'énergie. L'élimination de ces molécules et la purification chimique des matériaux utilisés pour la fabrication des fibres optiques peuvent réduire considérablement ces pertes.
Une autre source d'absorption dans les fibres optiques en quartz est la phase hydroxyde (OH-). Il a été constaté que l'hydroxyde présente trois pics d'absorption dans la bande de travail de la fibre : 0,95 µm, 1,24 µm et 1,38 µm. Parmi ces pics, la perte d'absorption à la longueur d'onde de 1,38 µm est la plus importante et a l'impact le plus important sur la fibre. À cette longueur d'onde, la perte d'absorption générée par des ions hydroxyde d'une teneur de seulement 0,0001 µm atteint 33 dB/km.
D'où viennent ces ions hydroxyde ? Leurs sources sont multiples. Premièrement, les matériaux utilisés pour la fabrication des fibres optiques contiennent de l'humidité et des composés hydroxyde, difficiles à éliminer lors du processus de purification de la matière première et qui restent finalement sous forme d'ions hydroxyde dans les fibres optiques. Deuxièmement, les composés hydrogène et oxygène utilisés dans la fabrication des fibres optiques contiennent une faible quantité d'humidité. Troisièmement, de l'eau est générée lors du processus de fabrication des fibres optiques en raison de réactions chimiques. Quatrièmement, l'entrée d'air extérieur apporte de la vapeur d'eau. Cependant, le procédé de fabrication a maintenant considérablement évolué et la teneur en ions hydroxyde a été réduite à un niveau suffisamment bas pour que son impact sur les fibres optiques soit négligeable.
Date de publication : 23 octobre 2025