¿Por qué el índice de refracción del recubrimiento debe ser superior al del núcleo?
En ingeniería de óptica de fibra, en cuanto al mecanismo físico del “emparejamiento del índice de refracción del recubrimiento”, es necesario aclarar primero los límites de la estructura geométrica y óptica de las tres capas de la fibra óptica.
Una fibra óptica de cuarzo estándar se compone de núcleo (Core), revestimiento (Cladding) y recubrimiento (Coating) de adentro hacia afuera:
- Índice de refracción del núcleo n_{\text{core}}: El más alto de las tres capas.
- Índice de refracción del revestimiento n_{\text{cladding}}: El siguiente, y debe cumplir estrictamente n_{\text{core}} > n_{\text{cladding}} para confinar el haz de luz de señal principal dentro del núcleo para su transmisión a través del principio de reflexión total.
- Índice de refracción del recubrimiento n_{\text{coating}}: Generalmente se requiere que su índice de refracción sea mayor que el del revestimiento (es decir, que cumpla n_{\text{coating}} > n_{\text{cladding}}), y en algunos casos especiales de eliminación de modos de revestimiento, su índice de refracción incluso necesita ser cercano o superior al del núcleo.
La razón principal de lo que comúnmente se llama “emparejamiento del índice de refracción del recubrimiento” se puede explicar a través de los siguientes mecanismos físicos ópticos:
1. Eliminación de modos de revestimiento (Cladding Mode Stripping) y evitación de la reflexión total
Durante la transmisión de la fibra óptica, cuando la luz pasa a través de estructuras perturbadoras como curvas de fibra, empalmes, rejillas de fibra óptica (FBG), etc., parte de la energía lumínica originalmente transmitida en el núcleo se dispersa o se acopla al revestimiento, formando modos de revestimiento (Cladding modes).
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Si n_{\text{coating}} < n_{\text{cladding}} (el índice de refracción del recubrimiento es menor que el del revestimiento):
La interfaz entre el revestimiento y el recubrimiento cumplirá las condiciones de reflexión total. La luz del revestimiento se confinará dentro del revestimiento para continuar su transmisión, haciendo que el revestimiento se convierta en una nueva “guía de onda”. Esta luz del revestimiento interferirá coherentemente con la señal principal en el núcleo o generará ruido disperso, lo que provocará distorsión en el espectro de transmisión/reflexión, reducirá la relación señal/ruido óptico (OSNR) e interferirá gravemente con la posterior optimización de picos y el cálculo del decodificador de fibra óptica. -
Cuando n_{\text{coating}} > n_{\text{cladding}} (el índice de refracción del recubrimiento es mayor que el del revestimiento):
La interfaz entre el revestimiento y el recubrimiento rompe las condiciones de reflexión total. La luz dispersa que se filtra al revestimiento se refractará sin obstáculos hacia el recubrimiento y será rápidamente absorbida o disipada por el material del recubrimiento polimérico. Este fenómeno se conoce como eliminación natural de modos de revestimiento, lo que garantiza la pureza de la señal transmitida dentro del núcleo.
2. Práctica de ingeniería en sensores de fibra óptica y rejillas de fibra óptica (FBG)
En el campo de la detección de rejillas de fibra óptica, durante el proceso de escritura de rejillas (o escritura láser de femtosegundos) y el posterior proceso de recubrimiento (Re-coating), la selección del índice de refracción del recubrimiento determina directamente la supresión del modo lateral y la simetría del pico del espectro de reflexión y transmisión de la rejilla.
Los productos estándar de fibra y rejilla de fibra óptica proporcionados por Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) utilizan materiales poliméricos con índices de refracción rigurosamente adaptados para el recubrimiento y el recubrimiento posterior:
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OFSCN® G.652D Optical Fiber: Fibra óptica monomodo estándar, utiliza un recubrimiento de poliacrilato de alto índice de refracción para lograr una buena atenuación de la luz del revestimiento.
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OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber: Fibra monomodo de poliimida resistente a altas temperaturas, el recubrimiento combina la característica de eliminación de revestimiento de alto índice de refracción con propiedades físicas de resistencia a altas temperaturas.
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OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare): Después de la escritura, se recubre con poliacrilato, manteniendo el índice de refracción del recubrimiento por encima del del revestimiento para garantizar la claridad del espectro.
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OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare): Se recubre con poliimida, lo que garantiza el rendimiento óptico y la calidad del espectro en entornos de alta temperatura.
