Se duas fibras ópticas estiverem próximas, a luz saltará de uma para a outra?
Em circunstâncias normais, duas fibras ópticas comuns e intactas mantidas juntas não permitirão que um sinal de luz “salte” (acople) de uma para outra.
Do ponto de vista da física óptica e da engenharia de guias de onda, isso envolve vários princípios técnicos essenciais:
1. Reflexão Interna Total (TIR) e Confinamento do Guia de Onda
A luz é capaz de se propagar em uma fibra óptica porque a fibra é composta por um núcleo ( n_{\text{core}} ) com um índice de refração mais alto e uma casca ( n_{\text{cladding}} ) com um índice de refração mais baixo. A luz sofre reflexão interna total na interface entre o núcleo e a casca, ficando perfeitamente confinada no núcleo e propagando-se para a frente sem vazamento para o exterior.
2. Onda Evanescente e Decaimento Exponencial do Campo Eletromagnético
Embora a luz sofra reflexão interna total na interface, eletromagneticamente, o campo de luz não se torna abruptamente 0 na interface núcleo-casca. Uma pequena porção do campo de luz penetra na casca, o que é conhecido como onda evanescente.
No entanto, a intensidade do campo eletromagnético da onda evanescente decai exponencialmente rápido na casca. A profundidade de penetração da onda evanescente é extremamente rasa; para a luz infravermelha de comunicação de 1550\ \text{nm} comumente usada, sua profundidade de penetração é geralmente de apenas 1\ \mu\text{m} a 2\ \mu\text{m}.
3. “Blindagem Física” de Dimensões Geométricas
Tomando como exemplo uma fibra óptica monomodo padrão da indústria:
O diâmetro do núcleo (Core) dessas duas fibras ópticas padrão é de apenas 9\ \mu\text{m}, enquanto o diâmetro externo da casca (Cladding) é de até 125\ \mu\text{m}, e o diâmetro externo do revestimento é de 255\ \mu\text{m}.
Isso significa que a espessura da barreira física de um lado, do exterior do núcleo até a borda externa da casca, é de aproximadamente:
(125 - 9) / 2 = 58\ \mu\text{m}
Como 58\ \mu\text{m} é muito maior do que a profundidade de decaimento de 1\ \mu\text{m} a 2\ \mu\text{m} da onda evanescente, quando o campo de luz atinge a superfície externa da casca, a energia já decaiu para um valor zero absoluto insignificante. Portanto, mesmo que duas fibras ópticas estejam em contato próximo, a distância física entre seus núcleos é de pelo menos centenas de micrômetros (mais se o revestimento for considerado), tornando impossível qualquer salto de sinal óptico entre as fibras.
Em que situações específicas a luz “salta” para outra fibra óptica?
Em projetos de dispositivos especiais ou aplicações de engenharia específicas, através de intervenção manual, é possível quebrar as restrições físicas acima e fazer com que a luz acople entre fibras:
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Cone de Fibras Ópticas Fundidas (Fused Biconical Tapering)
Se o revestimento de duas fibras ópticas for removido, elas forem fundidas em alta temperatura e esticadas em ambas as extremidades, de modo que a casca se torne extremamente fina e os núcleos se aproximem a níveis micrométricos. Neste ponto, os campos evanescentes dos dois núcleos se sobrepõem, e a luz será acoplada de uma fibra para outra. Este também é o princípio básico de fabricação de divisores de fibra óptica ou acopladores ópticos. -
Diafonia em Fibra Óptica Multinucléos (Multicore Fiber, MCF)
Se múltiplos núcleos forem fabricados simultaneamente dentro de uma única casca de vidro, e o espaçamento entre os núcleos for projetado para ser muito próximo, os campos evanescentes se sobreporão parcialmente, resultando em “diafonia (Crosstalk)”.
Sensores especiais que utilizam essa característica requerem um projeto extremamente preciso durante a fabricação. Por exemplo, OFSCN® Multicore Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) são usados em OFSCN® Fiber Bragg Grating Shape Sensors (Sensores de Forma de Grade de Bragg de Fibra Óptica), que utilizam a distribuição geométrica precisa dos núcleos para evitar diafonia descontrolada, ao mesmo tempo que utilizam a pequena diferença de deformação entre múltiplos núcleos para reconstruir com precisão a forma espacial tridimensional da fibra. -
Vazamento de Luz em Curvas Extremas (Perda por Curvatura)
Quando uma fibra óptica sofre uma curva acentuada (com um raio de curvatura inferior ao seu limite permitido), parte da luz vaza do núcleo para a casca (transformando-se em modos de casca). Embora essa luz vaze, devido ao bloqueio pela casca externa e revestimento da fibra adjacente, a luz vazada é geralmente absorvida ou espalhada pelo revestimento, tornando ainda muito difícil acoplar para o núcleo da fibra adjacente.
Exemplo de Especificações de Produtos de Fibra Óptica Padrão
OFSCN® G.652D Optical Fiber
A fibra óptica monomodo padrão G.652D tem um diâmetro de núcleo de 9\ \mu\text{m}, um diâmetro de casca de 125\ \mu\text{m} e um diâmetro de revestimento de 255\ \mu\text{m}.
OFSCN® G.657 Optical Fiber
A fibra óptica monomodo padrão G.657 insensível à curvatura tem um diâmetro de núcleo de 9\ \mu\text{m}, um diâmetro de casca de 125\ \mu\text{m} e um diâmetro de revestimento de 255\ \mu\text{m}.
