Съдържание[Крия][Покажи]
Физически обект, който насочва електромагнитни вълни в оптичния спектър, се нарича оптичен вълновод.
Прозрачните диелектрични вълноводи, съставени от пластмаса и стъкло, както и оптични влакна, са типични форми на оптични вълноводи.
Пространственият диапазон, в който светлината може да се разпространява, е ограничен от оптичен вълновод, който е пространствено нехомогенно устройство за насочване на светлината.
Обикновено вълноводът има секция, където индексът на пречупване е по-висок от заобикалящата среда (наречена обвивка).
В тази статия ще разгледаме принципите на оптичния вълновод, някои примери и много повече.
Въведение в оптичния вълновод
Основните градивни елементи на фотонните устройства са оптични вълноводи, които насочват, свързват, превключват, разделят, мултиплексират и демултиплексират оптични сигнали.
Използвайки планарна технология, която е подобна на микроелектрониката, пасивните вълноводи, електрооптични компоненти, предаватели, приемници и задвижваща електроника могат да бъдат комбинирани в един чип.
Ефективността на вълноводните устройства зависи от различни фактори, включително геометрия, дължина на вълната, първоначално разпределение на полето, информация за материала и условия на електрооптично задвижване, въпреки факта, че тяхното функциониране е широко проучено и разбрано.
Преди да направите притурка, е необходимо да се настроят определени параметри. Тъй като са необходими толкова много ресурси за създаване на чип, прецизното моделиране е от съществено значение за широкомащабни оптоелектронни вериги.
Вълноводни режими, свързване на режими, загуба и усилване, както и предаването на светлинни сигнали, всички са симулирани в дизайна на оптичен вълновод.
Вълноводното устройство е описано в един раздел от входните данни чрез неговата геометрия, производствени фактори и константи на материала.
В идеалния случай данните за вълновода трябва да се въвеждат с помощта на оформление на проекта със софтуер, който също може да управлява производствените параметри.
За настройка на числени изчисления въвеждането на данни включва и друг компонент. В един перфектен свят входните системи биха скрили или ограничили спецификата на численото изчисление.
Но тъй като вълноводното моделиране често използва сложни числени процедури, трябва да сте запознати с някои елементи от основните числа.
Фотонните вериги се изграждат с помощта на вълноводи. Перпендикулярно на маршрута по протежение на центъра на вълновода е дефиницията на ширината на вълновода, независимо дали е фиксирана или променяща се.
Основен принцип на оптичния вълновод
Както е показано на снимката, концепциите за геометрична или лъчева оптика могат да се използват за предаване на фундаменталните идеи, които са в основата на оптичните вълноводи.
Пречупването е процесът, при който светлината, която навлиза в материал с по-висок индекс на пречупване, се огъва към нормалното.
Да разгледаме случая на светлина, навлизаща в стъкло от въздуха. Подобно на това как светлината, движеща се по обратния път, от стъкло към въздух, следва същия маршрут и се отклонява от обичайното. Това се дължи на симетрията на обръщане на времето. Възможно е да картографирате всеки лъч във въздуха към лъч в стъклото.
Съществува връзка едно към едно. Но някои от светлинните лъчи в стъклото се пропускат поради пречупване. Пълното вътрешно отражение, което улавя останалата светлина в стъклото, е действащият механизъм.
Под ъгъл над критичния ъгъл те падат върху контакта стъкло-въздух. В по-сложни формулировки, изградени върху функцията на Грийн, тези допълнителни лъчи корелират с по-голяма плътност на състоянията.
В диелектричен вълновод можем да улавяме и насочваме светлината, като използваме пълно вътрешно отражение. Червените светлинни лъчи се отразяват от горната и долната повърхност на средата с висок индекс.
Докато плочата се огъва постепенно, тя може да бъде насочена дори когато се извива или огъва. Светлината се насочва по протежение на стъклена сърцевина с висок индекс в стъклена обвивка с по-нисък индекс съгласно този основен принцип във фиброоптиката.
Работата на вълновода се описва само грубо от лъчева оптика. За пълно полево описание на диелектричен вълновод, уравненията на Максуел могат да бъдат решени аналитично или числено.
Пример за оптичен вълновод
Диелектричните плочи вълноводи, известни също като планарни вълноводи, са може би най-основният вид оптични вълноводи.
Подредените вълноводни решетки, акусто-оптични филтри и модулатори са само няколко устройства на чип, които могат да използват вълноводни пластини поради тяхната простота.
Вълноводите за плочи също често се използват като модели играчки.
Три слоя материали, всеки от които има различна диелектрична константа, се комбинират, за да образуват вълновода на плочата, който може да се простира неограничено в посоки, успоредни на интерфейсите между тях.
Ако централният слой има по-висок индекс на пречупване от външните слоеве, светлината се съдържа в средния слой чрез пълно вътрешно отражение.
Някои примери за двуизмерен вълновод
Лентов вълновод
По принцип лентата от слоя, която е притисната между облицовъчните слоеве, е това, което съставлява ивичен вълновод.
Водещият слой на вълновода на плочата е ограничен в двете напречни посоки, а не само в една, което води до най-простия пример за правоъгълен вълновод. Както интегралните оптични схеми, така и лазерните диоди използват правоъгълни вълноводи.
Те често служат като основа за оптични части като Mach-Zehnder интерферометри и мултиплексори с разделяне на дължини на вълните. Много пъти правоъгълни оптични вълноводи се използват за изграждане на кухини на лазерни диоди.
Планарна техника обикновено се използва за създаване на оптични вълноводи с правоъгълна форма.
Ребрен вълновод
В ребрестия вълновод направляващият слой е по същество плоча с лента (или множество ленти), насложена върху нея.
В многослойни ребрени структури е възможно ограничение, близко до единицата, както и ограничаване на вълната в две измерения в ребрените вълноводи.
Фотонен кристален вълновод и сегментиран вълновод
По пътя на разпространение оптичните вълноводи обикновено поддържат постоянно напречно сечение. Такава е ситуацията, например, с лентови и ребрени вълноводи.
Чрез използването на така наречените режими на Блох, вълноводите могат също така да имат периодични вариации в напречното си сечение и въпреки това да предават светлина без никакви загуби.
Тези вълноводи се класифицират като фотонни кристални вълноводи (с 2D или 3D моделиране) или сегментирани вълноводи (с 1D моделиране по посока на разпространение).
Лазерно вписан вълновод
Индустрията на фотониката е мястото, където оптичните вълноводи са най-полезни. Интеграцията между електрически чипове и оптични влакна става възможна чрез настройване на вълноводите в 3D пространство.
Единичен режим на инфрачервена светлина при телекомуникационни дължини на вълната може да се разпространи с помощта на такива вълноводи, които също са настроени да пренасят оптични сигнали между входните и изходните места с изключително малка загуба.
Използване на оптичен вълновод
В микровълновите комуникации, радиоразпръскването и радарните системи вълноводът е електромагнитна захранваща линия. Вълноводът е направен от метална тръба или тръба, която е правоъгълна или цилиндрична.
Електромагнитното поле се разпространява надлъжно. Роксовите и тарелковите антени са най-типичните приложения за вълноводи.
Оптично влакно - вълновод ли е?
Пълното вътрешно отражение, което управлява функционирането на оптичното влакно, може да се разглежда като светлинен вълновод.
Ако ъгълът на падане е по-голям от критичния ъгъл, възниква пълно вътрешно отражение, когато разпространяваща се вълна срещне границата между два различни материала.
Заключение
В заключение, оптичният вълновод е структура, която „насочва“ светлинна вълна, като я предпазва от движение в посока, различна от желаната. В медицинската индустрия оптичните влакна често се използват както за диагностика, така и за терапия.
Гъвкави нишки, направени от оптични влакна, могат да бъдат поставени в белите дробове, кръвоносните артерии и други органи. Една дълга тръба съдържа два снопа оптични влакна вътре в ендоскоп, медицинско устройство.
Създава се подробна картина чрез насочване на светлината към изследваната тъкан в единия сноп, докато се получава отразена от него светлина в другия сноп. Ендоскопите могат да бъдат направени за изследване на определени части на тялото или стави, като например коленете.
Оставете коментар