光ファイバーの製造に使用される材料は光エネルギーを吸収します。光ファイバー材料中の粒子が光エネルギーを吸収すると、振動と熱が発生し、エネルギーが散逸するため、吸収損失が発生します。この記事では光ファイバー材料の吸収損失を分析します。
物質は原子と分子で構成され、原子は原子核と原子核外の電子で構成され、電子は原子核の周りを特定の軌道で回転していることは周知の事実です。これは、私たちが住む地球や金星、火星などの惑星が太陽の周りを回っているのと同じです。それぞれの電子は一定のエネルギーを持ち、特定の軌道を回っています。言い換えれば、それぞれの軌道は特定のエネルギーレベルを持っているということです。
原子核に近い軌道エネルギーレベルは低く、原子核から遠い軌道エネルギーレベルは高くなります。軌道間のエネルギー準位差の大きさをエネルギー準位差と呼びます。電子が低いエネルギー準位から高いエネルギー準位に遷移する場合、対応するエネルギー準位差でエネルギーを吸収する必要があります。
光ファイバーでは、あるエネルギーレベルにある電子に、そのエネルギーレベルの差に応じた波長の光を照射すると、低エネルギーの軌道にあった電子は、より高いエネルギーレベルの軌道に遷移します。この電子は光エネルギーを吸収し、結果として光の吸収損失を引き起こします。
光ファイバーの製造原料である二酸化ケイ素（SiO2）自体は光を吸収します。一方は紫外線吸収、他方は赤外線吸収と呼ばれます。現在、光ファイバー通信は一般的に0.8～1.6μmの波長範囲でのみ動作するため、ここではこの動作領域における損失についてのみ説明します。
石英ガラスにおける電子遷移によって生じる吸収ピークは、紫外線領域において波長0.1～0.2μm付近にあります。波長が長くなるにつれて吸収は徐々に減少しますが、その影響範囲は広く、1μmを超える波長にも及びます。しかし、赤外線領域で動作する石英光ファイバーでは、紫外線吸収の影響はほとんどありません。例えば、波長0.6μmの可視光領域では、紫外線吸収は1dB/kmに達することがありますが、波長0.8μmでは0.2～0.3dB/kmに低下し、波長1.2μmでは約0.1dB/kmにまで低下します。
石英光ファイバの赤外線吸収損失は、赤外線領域における材料の分子振動によって生じます。2μm以上の周波数帯域には、複数の振動吸収ピークが存在します。光ファイバ中の様々なドーピング元素の影響により、石英光ファイバは2μm以上の周波数帯域において低損失ウィンドウを実現することは不可能です。波長1.85μmにおける理論限界損失は1dB/kmです。研究により、石英ガラスには銅、鉄、クロム、マンガンなどの有害な遷移金属不純物を中心とした「破壊分子」が存在することが判明しました。これらの「悪者」は、光の照射下で光エネルギーを貪欲に吸収し、飛び跳ねて光エネルギーの損失を引き起こします。これらの「問題児」を排除し、光ファイバーの製造に使用する材料を化学的に精製することで、損失を大幅に低減できます。
石英光ファイバーにおけるもう一つの吸収源は、水酸化物（OH-）相です。水酸化物は、光ファイバーの動作帯域において、0.95μm、1.24μm、1.38μmの3つの吸収ピークを持つことが分かっています。その中でも、波長1.38μmにおける吸収損失は最も大きく、光ファイバーへの影響も最も大きくなります。波長1.38μmにおいて、わずか0.0001μmの水酸化物イオンによって生じる吸収ピーク損失は、33dB/kmにも達します。
こうした水酸化物イオンはどこから来るのでしょうか。水酸化物イオンの発生源は様々です。第一に、光ファイバーの製造に使用される材料には水分と水酸化物化合物が含まれており、原料の精製工程でこれらを除去することが難しく、最終的に光ファイバー内に水酸化物イオンの形で残留します。第二に、光ファイバーの製造に使用される水素化合物と酸素化合物には微量の水分が含まれています。第三に、光ファイバーの製造工程では化学反応により水が生成されます。第四に、外気の侵入により水蒸気が持ち込まれることです。しかし、現在では製造工程が相当に進歩し、水酸化物イオンの含有量は光ファイバーへの影響が無視できるほど低いレベルまで低減されています。
投稿日時: 2025年10月23日