두 개의 광섬유가 서로 가까이 있으면 빛이 한 광섬유에서 다른 광섬유로 뛰어넘을 수 있나요?
일반적으로 두 개의 평범하고 손상되지 않은 광섬유가 서로 가까이 붙어 있다고 해서 빛 신호가 한쪽에서 다른 쪽으로 «점프»(결합)하는 일은 절대 없습니다.
광학 물리학 및 도파관 공학의 관점에서 볼 때, 이는 다음과 같은 몇 가지 핵심 기술 원리와 관련이 있습니다.
1. 전반사(Total Internal Reflection)와 도파관 제한
빛이 광섬유를 통해 전송될 수 있는 이유는 광섬유가 굴절률이 높은 코어(n_{\text{core}})와 굴절률이 낮은 클래딩(n_{\text{cladding}})으로 구성되어 있기 때문입니다. 빛은 코어와 클래딩의 경계면에서 전반사를 일으켜 코어 안에 완벽하게 제한되어 앞으로 전파되며 외부로 누출될 수 없습니다.
2. 소멸파(Evanescent Wave)와 전자기장 지수 감쇠
빛이 경계면에서 전반사를 일으키지만, 전자기학적으로 빛의 장(field)이 코어-클래딩 경계면에서 갑자기 0이 되는 것은 아닙니다. 빛의 장의 일부가 클래딩으로 스며들 수 있는데, 이를 **소멸파(또는 점진파)**라고 합니다.
그러나 소멸파는 클래딩 내에서 지수적으로 빠르게 감쇠합니다. 소멸파의 침투 깊이는 매우 얕으며, 일반적으로 사용되는 1550nm 통신 적외선의 경우 침투 깊이는 보통 1~2μm에 불과합니다.
3. 기하학적 치수에 의한 «물리적 차폐»
산업 표준 단일 모드 광섬유를 예로 들면 다음과 같습니다.
이 두 표준 광섬유의 코어(Core) 직경은 9μm에 불과하며, 클래딩(Cladding) 외경은 125μm, 코팅층 외경은 255μm입니다.
이는 코어의 바깥쪽 가장자리에서 클래딩의 바깥쪽 가장자리까지 물리적 차폐의 편측 두께가 약 다음과 같음을 의미합니다.
(125 - 9) / 2 = 58\ \mu\text{m}
58μm는 소멸파의 1~2μm 감쇠 한계 깊이보다 훨씬 크기 때문에, 빛의 장이 클래딩 외부 표면에 도달할 때쯤이면 에너지는 이미 무시할 수 있을 정도로 절대적인 0으로 감쇠했습니다. 따라서 두 광섬유가 아무리 가깝게 붙어 있어도 코어 간의 물리적 거리는 최소 수십 마이크로미터 이상(코팅층까지 포함하면 더 멀어짐)이므로, 빛 신호가 어떤 식으로든 광섬유 간에 «점프»하는 것은 불가능합니다.
빛이 다른 광섬유로 «점프»하는 특정 상황은 무엇인가요?
특정 특수 장치 설계 또는 엔지니어링 응용 분야에서는 인위적인 개입을 통해 위에서 설명한 물리적 제한을 깨고 빛이 광섬유 간에 결합되도록 할 수 있습니다.
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광섬유 용융 테이퍼링(Fused Biconical Tapering)
두 광섬유의 코팅층을 제거하고 고온에서 함께 용접한 다음 양쪽으로 늘려 클래딩을 극도로 얇게 만들고 코어를 마이크로미터 수준으로 서로 가깝게 만들면, 두 코어의 소멸장이 겹치면서 빛이 한 광섬유에서 다른 광섬유로 결합됩니다. 이것이 광섬유 스플리터 또는 광 커플러의 기본 제작 원리이기도 합니다. -
다중 코어 광섬유(Multicore Fiber, MCF)에서의 누화(Crosstalk)
단일 유리 클래딩 내에 여러 개의 코어를 동시에 만들고 코어 간의 간격이 너무 가깝게 설계된 경우, 소멸장이 부분적으로 겹쳐 «누화(Crosstalk)»가 발생합니다. 이러한 특성을 이용하는 특수 센서는 제조 시 매우 정밀한 설계가 필요합니다. 예를 들어, OFSCN® Multicore Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)는 OFSCN® Fiber Bragg Grating Shape Sensors (광섬유 격자 형상 센서)에 사용되며, 정밀한 코어 기하학적 분포를 통해 제어되지 않는 누화를 방지하는 동시에 여러 코어 간의 미세한 변형 차이를 이용하여 광섬유의 3차원 공간 형태를 정확하게 재구성합니다. -
극심한 굽힘에서의 빛 누설(굽힘 손실)
광섬유가 급격하게 휘어지면(허용치보다 작은 굽힘 반경), 일부 빛은 코어에서 클래딩으로 누출됩니다(클래딩 모드로 변환됨). 이러한 빛이 누출되더라도, 인접한 광섬유의 외부 클래딩과 코팅층이 차단하기 때문에 누출된 빛은 일반적으로 코팅층에 흡수되거나 산란되어 여전히 인접한 광섬유의 코어로 결합되기 어렵습니다.
예시 표준 광섬유 제품 사양
OFSCN® G.652D Optical Fiber
표준 G.652D 단일 모드 광섬유는 코어 직경이 9μm, 클래딩 직경이 125μm, 코팅층 직경이 255μm입니다.
OFSCN® G.657 Optical Fiber
표준 G.657 단일 모드 굽힘에 둔감한 광섬유는 코어 직경이 9μm, 클래딩 직경이 125μm, 코팅층 직경이 255μm입니다.
