Springen die Lichter von einer Glasfaser zur anderen, wenn zwei Glasfasern nebeneinander liegen?
Im Normalfall springt ein Lichtsignal von zwei normalen, unbeschädigten Glasfasern, die eng aneinander liegen, absolut nicht (kuppelt nicht) auf die andere.
Aus der Perspektive der optischen Physik und der Wellenleitertechnik ergeben sich daraus mehrere Kernprinzipien:
1. Totalreflexion und Wellenleiterbegrenzung
Licht kann in einer Glasfaser übertragen werden, da sie aus einem Kern (n_{\text{core}}) mit hohem Brechungsindex und einem umgebenden Mantel (n_{\text{cladding}}) mit niedrigerem Brechungsindex besteht. Das Licht wird durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel perfekt im Kern eingeschlossen und breitet sich vorwärts aus, ohne nach außen zu lecken.
2. Verschwindende Welle und exponentielle Abschwächung des elektromagnetischen Feldes
Obwohl das Licht an der Grenzfläche totalreflektiert wird, wird das Lichtfeld auf der elektromagnetischen Ebene an der Kern-Mantel-Grenzfläche nicht plötzlich auf 0 reduziert. Ein kleiner Teil des Lichtfeldes dringt in den Mantel ein, dies wird als verschwindende Welle (oder evaneszente Welle) bezeichnet.
Allerdings nimmt die Intensität des elektromagnetischen Feldes der verschwindenden Welle im Mantel exponentiell schnell ab. Die Eindringtiefe der verschwindenden Welle ist extrem gering; für das gebräuchliche Infrarotlicht für die Telekommunikation mit 1550\ \text{nm} beträgt sie normalerweise nur 1\ \mu\text{m} bis 2\ \mu\text{m}.
3. Physikalische Abschirmung durch geometrische Abmessungen
Betrachten wir eine Standard-Singlemode-Glasfaser als Beispiel:
Der Kerndurchmesser dieser beiden Standardfasern beträgt nur 9\ \mu\text{m}, während der Manteldurchmesser 125\ \mu\text{m} und der Primärcoating-Durchmesser 255\ \mu\text{m} beträgt.
Das bedeutet, dass die einseitige Dicke der physischen Barriere vom äußeren Rand des Kerns bis zum äußeren Rand des Mantels etwa beträgt:
(125 - 9) / 2 = 58\ \mu\text{m}
Da 58\ \mu\text{m} weit größer ist als die Abschwächungsgrenze der verschwindenden Welle von 1\ \mu\text{m} bis 2\ \mu\text{m}, ist die Energie, wenn das Lichtfeld die äußere Oberfläche des Mantels erreicht, bereits auf einen vernachlässigbaren Wert abgeschwächt. Daher gibt es selbst dann, wenn zwei Glasfasern eng aneinander liegen, einen physischen Abstand von mindestens über hundert Mikrometern zwischen ihren Kernen (mehr, wenn man die Primärcoatings mitzählt), sodass kein Lichtsignal überspringen kann.
Unter welchen spezifischen Bedingungen springt Licht auf eine andere Glasfaser?
In bestimmten speziellen Gerätekonstruktionen oder technischen Anwendungen kann diese physikalische Begrenzung durch künstliche Eingriffe aufgehoben werden, sodass Licht eine Faserkopplung überquert:
-
Geschmolzene bikonische Verjüngung (Fused Biconical Tapering)
Wenn die Primärcoatings von zwei Glasfasern entfernt und sie bei hoher Temperatur miteinander verschmolzen und in beide Richtungen gezogen werden, sodass der Mantel extrem dünn wird und die Kerne sich bis in den Mikrometerbereich nähern. Dann überlappen sich die verschwindenden Felder der beiden Kerne, und das Licht koppelt von einer Faser auf die andere. Dies ist auch das grundlegende Herstellungsprinzip von Glasfaserteilern oder Glasfasikkopplern. -
Übersprechen in Multicore-Fasern (MCF)
Wenn in einem einzigen Glasmantel mehrere Kerne gleichzeitig hergestellt werden und der Abstand zwischen den Kernen zu gering ist, überlappen sich die verschwindenden Wellen teilweise, was zu „Übersprechen (Crosstalk)“ führt.
Spezialsensoren, die diese Eigenschaft nutzen, erfordern eine extrem präzise Konstruktion. Beispielsweise werden OFSCN® Multicore Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) in OFSCN® Fiber Bragg Grating Shape Sensors verwendet, die eine präzise Rekonstruktion der dreidimensionalen räumlichen Form der Faser durch die genaue geometrische Verteilung der Kerne nutzen, um ungewollte Übersprechen zu vermeiden, während gleichzeitig winzige Dehnungsunterschiede zwischen mehreren Kernen zur präzisen Rekonstruktion der dreidimensionalen räumlichen Form der Faser genutzt werden. -
Lichtleckage bei extremer Biegung (Biegeverlust)
Wenn eine Glasfaser stark gebogen wird (der Biegeradius kleiner als die zulässige Grenze ist), tritt ein Teil des Lichts aus dem Kern in den Mantel aus (und wird zu einem Mantelmodus). Obwohl dieses Licht austritt, wird es normalerweise vom Primärcoating absorbiert oder gestreut, da die äußeren Mäntel und Primärcoatings der benachbarten Fasern dies blockieren, und es ist immer noch extrem schwierig, in den Kern der benachbarten Faser zu koppeln.
Beispiel Spezifikationen für Standard-Glasfaserprodukte
OFSCN® G.652D Optical Fiber
Eine standardmäßige G.652D Singlemode-Glasfaser hat einen Kerndurchmesser von 9\ \mu\text{m}, einen Manteldurchmesser von 125\ \mu\text{m} und einen Primärcoating-Durchmesser von 255\ \mu\text{m}.
OFSCN® G.657 Optical Fiber
Eine standardmäßige biegeunempfindliche G.657 Singlemode-Glasfaser hat einen Kerndurchmesser von 9\ \mu\text{m}, einen Manteldurchmesser von 125\ \mu\text{m} und einen Primärcoating-Durchmesser von 255\ \mu\text{m}.
