光ファイバー材料における吸収損失の詳細な説明

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する性質を持っています。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、吸収損失が生じます。本稿では、光ファイバー材料の吸収損失について分析する。

物質は原子と分子から構成され、原子は原子核と、原子核の周りを一定の軌道で回転する電子から構成され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、金星や火星といった惑星が太陽の周りを公転しているのと同様です。それぞれの電子は一定量のエネルギーを持ち、特定の軌道上にあります。言い換えれば、それぞれの軌道には一定のエネルギー準位が存在するのです。

原子核に近い軌道のエネルギー準位は低く、原子核から遠い軌道のエネルギー準位は高い。軌道間のエネルギー準位の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際には、対応するエネルギー準位差分の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、あるエネルギー準位にある電子に、そのエネルギー準位の差に対応する波長の光を照射すると、低エネルギー軌道にある電子は、より高いエネルギー準位の軌道に遷移する。この電子は光エネルギーを吸収し、その結果、光の吸収損失が生じる。

光ファイバーの製造に用いられる基本材料である二酸化ケイ素（SiO2）は、紫外線吸収と赤外線吸収という2種類の光を吸収します。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、ここではこの波長範囲における損失のみを考察します。

石英ガラスの電子遷移によって生じる吸収ピークは、紫外領域の波長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、影響を受ける領域は広く、1μmを超える波長にも及びます。しかし、紫外吸収は赤外領域で動作する石英光ファイバにはほとんど影響を与えません。例えば、可視光領域の波長0.6μmでは紫外吸収は1dB/kmに達しますが、波長0.8μmでは0.2～0.3dB/kmに減少し、波長1.2μmではわずか0.1dB/km程度になります。

石英ファイバー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。2 μm以上の周波数帯域には、いくつかの振動吸収ピークが存在します。光ファイバー中の様々なドーピング元素の影響により、石英ファイバーは2 μm以上の周波数帯域で低損失ウィンドウを持つことは不可能です。波長1.85 μmにおける理論上の限界損失は、1dB/kmです。研究の結果、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といった「破壊分子」が存在し、問題を引き起こしていることが判明しました。これらの「悪者」は、光照射下で光エネルギーを貪欲に吸収し、飛び跳ねることで光エネルギーの損失を引き起こします。光ファイバーの製造に使用される材料からこれらの「問題分子」を除去し、化学的に精製することで、損失を大幅に削減できます。

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、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。中でも、1.38μmの波長における吸収損失が最も大きく、ファイバーへの影響も最も大きくなります。1.38μmの波長では、わずか0.0001の含有量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。

これらの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数多くあります。まず、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、これらは原料精製工程で除去するのが難しく、最終的に光ファイバー中に水酸化物イオンの形で残ります。次に、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少量の水分が含まれています。さらに、光ファイバーの製造工程では化学反応によって水が生成されます。そして、外部の空気が侵入することで水蒸気が持ち込まれます。しかし、現在では製造工程はかなり高度化しており、水酸化物イオンの含有量は光ファイバーへの影響を無視できるほど十分に低いレベルまで低減されています。