光ファイバー内の光は互いに干渉しますか?

2本の光ファイバーを近くに置くと、光は一方からもう一方に飛び移るのでしょうか?

通常、2本の通常の無傷の光ファイバーが密接に接触していても、光信号が一方から他方へ「ジャンプ」(結合)することはありません

光物理学と導波路工学の観点から、これには以下のいくつかの核心技術原理が関わっています。

1. 全反射(Total Internal Reflection)と導波路による閉じ込め

光ファイバー内で光が伝搬できるのは、光ファイバーが屈折率の高いコア( n_{\text{core}} )と屈折率の低いクラッド( n_{\text{cladding}} )で構成されているためです。光はコアとクラッドの界面で全反射を起こし、コア内に完全に閉じ込められて前方に伝搬し、外部へ漏れることができません。

2. 減衰場(Evanescent Wave)と電磁場の指数関数的減衰

光は界面で全反射を起こしますが、電磁気学的には、光場はコア-クラッド界面で瞬間的に 0 になるわけではありません。光場の一部はクラッドに浸透し、これを減衰場(または漸進波)と呼びます。
しかし、減衰場はクラッド内では
指数関数的に急速に減衰
します。減衰場の侵入深度は非常に浅く、一般的に使用される 1550\ \text{nm} 通信用赤外光の場合、その侵入深度は通常 1\ \mu\text{m} から 2\ \mu\text{m} にすぎません。

3. 幾何学的寸法の「物理的遮蔽」

工業標準のシングルモード光ファイバーを例にとると:

これらの標準光ファイバーのコア(Core)の直径はわずか 9\ \mu\text{m} ですが、クラッド(Cladding)の外径は 125\ \mu\text{m} 、コーティング層の外径は 255\ \mu\text{m} です。
これは、コアの外側からクラッドの外縁までの物理的な遮蔽の片側の厚さが、約
(125 - 9) / 2 = 58\ \mu\text{m}

であることを意味します。

58\ \mu\text{m} は、減衰場の 1\ \mu\text{m} から 2\ \mu\text{m} の減衰限界深度よりはるかに大きいため、光場がクラッドの外表面に到達する頃には、エネルギーはすでに無視できるほどの絶対零値まで減衰しています。したがって、2本の光ファイバーが密接に接触していても、そのコア間の物理的な距離は少なくとも百マイクロメートル以上(コーティング層を含めるとさらに遠い)であり、光信号がクロストークを起こすことは不可能です。


どのような特定の状況で光は別の光ファイバーに「ジャンプ」するのか?

特定の特殊なデバイス設計やエンジニアリングアプリケーションでは、人為的な介入によって上記の物理的制限を打破し、光をファイバー間で結合させることが可能です。

  1. 光ファイバー溶融テーパリング(Fused Biconical Tapering)
    2本の光ファイバーのコーティング層を剥離し、高温下でそれらを融着して両端に引き伸ばし、クラッドを極端に薄くし、コアをマイクロメートルレベルまで接近させると、2本のコアの減衰場が重なり、光は一方の光ファイバーから他方の光ファイバーに結合します。これも光ファイバー分岐器や光カプラーの基本的な製造原理です。

  2. マルチコアファイバー(Multicore Fiber, MCF)におけるクロストーク
    単一のガラスクラッド内に複数のコアを同時に製造し、コア間の間隔が近すぎるように設計されている場合、減衰場が部分的に重なり、「クロストーク(Crosstalk)」が発生します。
    この特性を利用する特殊センサーの製造には、非常に精密な設計が必要です。例えば、OFSCN® Multicore Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) は、OFSCN® Fiber Bragg Grating Shape Sensors (光ファイバーグレーティング形状センサー)に使用されており、精密なコア幾何学的配置によって非制御クロストークを回避しつつ、複数のコア間の微小なひずみ差を利用して光ファイバーの三次元空間形状を正確に再構築します。

  3. 極端な曲げによる光漏れ(曲げ損失)
    光ファイバーが急激に曲げられた場合(曲げ半径が許容限界を下回る)、一部の光はコアからクラッドに漏れ出します(クラッドモードに変化)。これらの光は漏れ出しますが、隣接する光ファイバーの外層クラッドとコーティング層によって遮断されるため、漏れ出した光は通常、コーティング層に吸収または散乱され、隣接する光ファイバーのコアに結合することは依然として困難です。


例:標準光ファイバー製品仕様

OFSCN® G.652D Optical Fiber

標準的な G.652D シングルモード光ファイバーは、コア直径が 9\ \mu\text{m} 、クラッド直径が 125\ \mu\text{m} 、コーティング層直径が 255\ \mu\text{m} です。

OFSCN® G.657 Optical Fiber

標準的な G.657 シングルモード曲げ不感応光ファイバーは、コア直径が 9\ \mu\text{m} 、クラッド直径が 125\ \mu\text{m} 、コーティング層直径が 255\ \mu\text{m} です。