Будет ли свет перескакивать с одного оптоволокна на другое, если они будут расположены рядом друг с другом?
В обычных условиях, две обычные, неповрежденные оптоволоконные линии, находящиеся вплотную друг к другу, абсолютно не допускают «прыжков» (связывания) оптического сигнала из одной линии в другую.
С точки зрения оптической физики и волноводной инженерии, это включает в себя следующие основные технические принципы:
1. Полное внутреннее отражение (Total Internal Reflection) и ограничение волновода
Оптический сигнал может передаваться по оптоволокну благодаря тому, что оно состоит из сердцевины (core) с более высоким показателем преломления (n_{\text{core}}) и оболочки (cladding) с более низким показателем преломления (n_{\text{cladding}}). Свет, отражаясь полным внутренним отражением на границе между сердцевиной и оболочкой, идеально ограничивается в сердцевине и распространяется вперед, не имея возможности утечки наружу.
2. Потухающая волна (Evanescent Wave) и экспоненциальное затухание электромагнитного поля
Хотя свет и отражается полным внутренним отражением на границе, с точки зрения электромагнетизма, световое поле не становится мгновенно равным 0 на границе сердцевина-оболочка. Небольшая часть светового поля проникает в оболочку, это называется потухающей волной (или эванесцентной волной).
Однако в оболочке интенсивность электромагнитного поля потухающей волны экспоненциально быстро затухает. Глубина проникновения потухающей волны крайне мала. Для обычного инфракрасного света связи 1550\ \text{nm} глубина проникновения обычно составляет всего от 1\ \mu\text{m} до 2\ \mu\text{m}.
3. «Физический барьер» геометрических размеров
Возьмем в качестве примера стандартное одномодовое оптоволокно:
Диаметр сердцевины (Core) этих стандартных оптоволокон составляет всего 9\ \mu\text{m}, а внешний диаметр оболочки (Cladding) — 125\ \mu\text{m}, внешний диаметр защитного покрытия (coating) — 255\ \mu\text{m}.
Это означает, что односторонняя толщина физического барьера от внешней стороны сердцевины до внешнего края оболочки составляет примерно:
(125 - 9) / 2 = 58\ \mu\text{m}
Поскольку 58\ \mu\text{m} значительно больше предельной глубины затухания потухающей волны в 1\ \mu\text{m} до 2\ \mu\text{m}, к моменту, когда световое поле достигает внешней поверхности оболочки, энергия уже затухает до пренебрежимо малого значения. Следовательно, даже если два оптоволокна плотно прилегают друг к другу, физическое расстояние между их сердцевинами составляет не менее сотни микрометров (больше, если учитывать защитное покрытие), и оптический сигнал не может никуда перепрыгнуть.
В каких специфических случаях свет «прыгает» в другое оптоволокно?
В специфических разработках специализированных устройств или в инженерных приложениях, путем искусственного вмешательства, можно нарушить вышеуказанные физические ограничения и добиться перекрестного связывания света:
-
Сплавление и вытягивание оптоволокна (Fused Biconical Tapering)
Если снять защитное покрытие с двух оптоволокон, сплавить их вместе при высокой температуре и растянуть в обе стороны, чтобы оболочка стала чрезвычайно тонкой, а сердцевины приблизились друг к другу на микронном уровне. В этом случае потухающие поля двух сердцевин перекрываются, и свет переходит из одного оптоволокна в другое. Это также основной принцип изготовления оптических ответвителей или разветвителей. -
Перекрестные помехи (Crosstalk) в многосердцевинном оптоволокне (Multicore Fiber, MCF)
Если в одной стеклянной оболочке одновременно создаются несколько сердцевин, и расстояние между сердцевинами спроектировано слишком малым, потухающие волны частично перекрываются, вызывая «перекрестные помехи (Crosstalk)».
Специальные датчики, использующие это свойство, требуют чрезвычайно точного проектирования при производстве. Например, OFSCN® Multicore Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) используются в OFSCN® Fiber Bragg Grating Shape Sensors (датчики формы на основе волоконных брэгговских решеток). Они используют точное геометрическое расположение сердцевин для предотвращения неконтролируемых перекрестных помех, одновременно используя крошечную разницу в деформации между несколькими сердцевинами для точной реконструкции трехмерной пространственной формы оптоволокна. -
Утечка света при сильном изгибе (потери на изгиб)
Когда оптоволокно подвергается резкому изгибу (радиус изгиба меньше допустимого предела), часть света просачивается из сердцевины в оболочку (превращаясь в моды оболочки). Хотя этот свет и утекает, он очень редко связывается с сердцевиной соседнего оптоволокна, поскольку внешняя оболочка и защитное покрытие соседнего оптоволокна блокируют его, и он обычно поглощается или рассеивается защитным покрытием.
Пример стандартных спецификаций продукта на оптоволокно
OFSCN® G.652D Optical Fiber
Стандартное одномодовое оптоволокно G.652D имеет диаметр сердцевины 9\ \mu\text{m}, диаметр оболочки 125\ \mu\text{m} и диаметр защитного покрытия 255\ \mu\text{m}.
OFSCN® G.657 Optical Fiber
Стандартное одномодовое оптоволокно G.657, нечувствительное к изгибам, имеет диаметр сердцевины 9\ \mu\text{m}, диаметр оболочки 125\ \mu\text{m} и диаметр защитного покрытия 255\ \mu\text{m}.
