Εδώ και πάνω από 50 χρόνια, οι μηχανικοί περιγράφουν το φως στις οπτικές ίνες με μια βολική συντόμευση, που λειτουργεί τόσο καλά ώστε σπάνια αμφισβητείται.
Μηχανικοί του University of the Witwatersrand (Wits University) στο Γιοχάνεσμπουργκ έδειξαν ότι η συντόμευση αυτή κρύβει ένα μικρό αλλά υπαρκτό φαινόμενο. Ένας μαγνήτης τοποθετημένος δίπλα σε μια πολυρυθμική ίνα, και όχι κατά μήκος της, μπορεί να αλλάξει το φως που ταξιδεύει μέσα της.
Το φαινόμενο Faraday και το πλευρικό πεδίο
Οι αισθητήρες οπτικών ινών για μαγνητικά πεδία βασίζονται στο φαινόμενο Faraday. Όταν το μαγνητικό πεδίο δείχνει κατά μήκος της ίνας, στρέφει ελαφρά την πόλωση του φωτός. Η μέτρηση της στροφής αποκαλύπτει την ένταση του πεδίου και άρα του ρεύματος που το παρήγαγε. Ένα πεδίο κάθετο στην ίνα δεν αναμενόταν να προκαλεί φαινόμενο Faraday.
Το πλευρικό πεδίο αλλάζει το speckle
Ο μεταπτυχιακός φοιτητής Mohammed Raiyan Sharif και ο καθηγητής Mitchell Cox απέδειξαν αυτό το «εγκάρσιο» φαινόμενο Faraday σε πολυρυθμική ίνα. Η έρευνα, που έγινε στο Wits Optical Communication (OC) Lab, δημοσιεύεται στο Optics Letters. Σε μια πολυρυθμική ίνα το φως ταξιδεύει από πολλές διαδρομές ταυτόχρονα και στην έξοδο σχηματίζει ένα φαινομενικά τυχαίο μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών σημείων, γνωστό ως speckle. Οι ερευνητές παρακολουθούσαν το μοτίβο με κάμερα, ενώ διέταζαν ισχυρούς μαγνήτες δίπλα στην ακίνητη ίνα. Το μοτίβο άλλαζε.
«Αυτό που εκπλήσσει είναι η ανακάλυψη μιας παραβλεπόμενης, χρήσιμης αλληλεπίδρασης σε μια τόσο οικεία τεχνολογία», λέει ο Cox.
Οι υπάρχοντες αισθητήρες Faraday πρέπει να τυλίγονται γύρω από τον αγωγό, κάτι δύσκολο στην εγκατάσταση. Ένας εγκάρσιος αισθητήρας θα μπορούσε θεωρητικά να τοποθετείται δίπλα στην πηγή του πεδίου. Τα πεδία κοντά στα περισσότερα καλώδια είναι όμως πολύ ασθενέστερα από όσα χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα, και η ευαισθησία ενός πρακτικού αισθητήρα δεν έχει ακόμη διαπιστωθεί.
Η συνιστώσα που παραλείπει η συντόμευση
Η τυπική περιγραφή, η προσέγγιση ασθενούς καθοδήγησης, αγνοεί τη διαμήκη συνιστώσα του ηλεκτρικού πεδίου, αυτή που ταλαντώνεται κατά τη διεύθυνση διάδοσης. Η παράλειψη είναι εξαιρετική όταν ο πυρήνας και το περιβάλλον γυαλί έχουν παρόμοιους δείκτες διάθλασης. Οι Sharif και Cox μελέτησαν ίνες βηματικού δείκτη, όπου η αλλαγή είναι μεγάλη και η διαμήκης συνιστώσα γίνεται σημαντική κοντά στην άκρη του πυρήνα. Διατηρώντας την στις εξισώσεις, έδειξαν ότι ένα πλευρικό μαγνητικό πεδίο μεταφέρει μέρος της ταλάντωσης του φωτός σε αυτή τη συνιστώσα, αλλάζοντας την ανάκλασή του.
«Δεν ήταν δύσκολο να τυπώσουμε σε 3D ένα σύστημα για να δοκιμάσουμε τη διαίσθησή μας. Το δύσκολο ήταν να βρούμε τη θεωρία», λέει ο Sharif.
Διαχωρισμός του σήματος
Το πλευρικό πεδίο προκαλεί και το φαινόμενο Cotton-Mouton, που αυξάνεται με το τετράγωνο του πεδίου, ενώ το εγκάρσιο φαινόμενο Faraday αυξάνεται ανάλογα με το πεδίο. Οι ερευνητές απομόνωσαν το ανάλογο σήμα και επιβεβαίωσαν τέσσερις προβλέψεις της θεωρίας. Σε πεδίο 0,24 tesla, το φως που ήταν πολωμένο κάθετα στο πεδίο άφησε το μοτίβο μόνο περίπου 84% όμοιο με το αρχικό.
Στο μέλλον, ο έλεγχος αυτός θα μπορούσε να γίνεται ηλεκτρικά, με πηνίο. «Πέρα από την ανίχνευση, ο ηλεκτρικός έλεγχος των ρυθμών μέσα στην ίνα θα μπορούσε να ανοίξει έναν νέο τρόπο οπτικού υπολογισμού», λέει ο Cox.