Taula de continguts[Amaga][Espectacle]
Un objecte físic que dirigeix ones electromagnètiques en l'espectre òptic s'anomena guia d'ones òptica.
Les guies d'ones dielèctriques transparents compostes de plàstic i vidre, així com de fibra òptica, són formes típiques de guies d'ones òptiques.
El rang espacial en què es pot propagar la llum està limitat per una guia d'ones òptica, que és un dispositiu espacialment no homogeni per dirigir la llum.
Normalment, una guia d'ones té una secció on l'índex de refracció és més alt que el medi circumdant (anomenat revestiment).
En aquest article, examinarem els principis de la guia d'ona òptica, alguns exemples i molt més.
Introducció a la guia d'ona òptica
Els components fonamentals dels dispositius fotònics són les guies d'ona òptiques, que dirigeixen, acoblen, commutan, divideixen, multiplexen i demultiplexen senyals òptics.
Utilitzant la tecnologia plana, que és similar a la microelectrònica, es poden combinar guies d'ones passives, components electroòptics, transmissors, receptors i electrònica de conducció en un sol xip.
El rendiment dels dispositius de guia d'ona depèn de diversos factors, com ara la geometria, la longitud d'ona, la distribució inicial del camp, la informació del material i les condicions de conducció electroòptica, malgrat que el seu funcionament ha estat àmpliament estudiat i comprès.
Abans de fer un gadget, cal ajustar determinats paràmetres. Com que es necessiten tants recursos per crear un xip, el modelatge precís és essencial per als circuits optoelectrònics a gran escala.
Els modes de guia d'ones, l'acoblament de modes, la pèrdua i el guany, així com la transmissió de senyals de llum, es simulen en el disseny de la guia d'ones òptica.
El dispositiu de guia d'ones es descriu en una secció de les dades d'entrada per la seva geometria, factors de fabricació i constants del material.
Idealment, les dades de la guia d'ones s'han d'introduir mitjançant un disseny de projecte amb programari que també pugui gestionar els paràmetres de fabricació.
Per establir càlculs numèrics, la introducció de dades també inclou un altre component. En un món perfecte, els sistemes d'entrada ocultarien o restringirien les especificitats del càlcul numèric.
Però com que el modelatge de guies d'ona sovint fa ús de procediments numèrics complexos, cal que estigueu familiaritzat amb alguns elements dels numèrics subjacents.
Els circuits fotònics es construeixen mitjançant guies d'ones. Perpendicular a la ruta al llarg del centre de la guia d'ones hi ha la definició de l'amplada d'una guia d'ones, ja sigui fixa o canviant.
Principal bàsic de la guia d'ona òptica
Com es mostra a la imatge, els conceptes geomètrics o d'òptica de raigs es poden utilitzar per transmetre les idees fonamentals que sustenten les guies d'ones òptiques.
La refracció és el procés pel qual la llum que entra en un material amb un índex de refracció més alt es doblega cap a la normal.
Considereu el cas de la llum que entra al vidre des de l'aire. De manera semblant a com la llum es mou a l'inrevés, del vidre a l'aire, segueix el mateix recorregut i es desvia de l'habitual. A causa de la simetria d'inversió temporal, això resulta. És possible mapejar cada raig de l'aire amb un raig del vidre.
Existeix una relació un a un. Però alguns dels raigs de llum del vidre es perden a causa de la refracció. La reflexió interna total, que atrapa la llum restant al vidre, és el mecanisme que treballa.
En un angle sobre l'angle crític, incideixen en el contacte vidre-aire. En formulacions més sofisticades basades en la funció de Green, aquests raigs addicionals es correlacionen amb una densitat d'estats més gran.
En una guia d'ones dielèctrica, podem capturar i dirigir la llum mitjançant la reflexió interna total. Els raigs de llum vermella es reflecteixen a les superfícies superior i inferior del medi d'índex alt.
Sempre que la llosa es doblegui gradualment, es pot dirigir fins i tot quan es corba o es doblega. La llum es guia al llarg d'un nucli de vidre d'alt índex en un revestiment de vidre d'índex inferior segons aquest principi fonamental de la fibra òptica.
El funcionament de la guia d'ones només es representa aproximadament per l'òptica de raigs. Per a una descripció de camp complet d'una guia d'ones dielèctrica, les equacions de Maxwell es poden resoldre analíticament o numèricament.
Exemple de guia d'ona òptica
Les guies d'ones de lloses dielèctriques, també conegudes com a guies d'ones planars, són potser el tipus més bàsic de guies d'ones òptiques.
Les reixetes de guies d'ones en matriu, els filtres acústico-òptics i els moduladors són només uns quants dispositius en xip que poden utilitzar guies d'ones de lloses per la seva simplicitat.
Les guies d'ona de lloses també s'utilitzen freqüentment com a models de joguina.
Tres capes de materials, cadascuna amb una constant dielèctrica diferent, es combinen per formar la guia d'ones de la llosa, que es pot estendre indefinidament en direccions paral·leles a les interfícies entre elles.
Si la capa central té un índex de refracció més alt que les capes exteriors, la llum està continguda a la capa mitjana a través de la reflexió interna total.
Alguns exemples de la guia d'ones bidimensional
Guia d'ona de tira
Bàsicament, una tira de la capa que s'estreny entre les capes de revestiment és el que constitueix una guia d'ones de tira.
La capa de guia de la guia d'ones de llosa està restringida en ambdues direccions transversals en lloc d'una, resultant en l'exemple més senzill d'una guia d'ones rectangular. Tant els circuits òptics integrats com els díodes làser utilitzen guies d'ones rectangulars.
Sovint serveixen de base per a peces òptiques com els interferòmetres Mach-Zehnder i els multiplexors de divisió de longitud d'ona. Moltes vegades, s'utilitzen guies d'ones òptiques rectangulars per construir les cavitats dels díodes làser.
Normalment s'utilitza una tècnica plana per crear guies d'ones òptiques amb una forma rectangular.
Guia d'ona costella
En una guia d'ona de costella, la capa de guia és essencialment una llosa amb una tira (o diverses tires) superposades a sobre.
En estructures de costelles multicapa, és possible el confinament proper a la unitat, així com el confinament de l'ona en dues dimensions en guies d'ona de costelles.
Guia d'ones de cristall fotònic i guia d'ones segmentada
Al llarg del seu camí de propagació, les guies d'ona òptiques normalment mantenen una secció transversal constant. Aquesta és la situació, per exemple, amb les guies d'ones de tires i costelles.
Mitjançant l'ús dels anomenats modes de Bloch, les guies d'ona també poden tenir variacions periòdiques en la seva secció transversal i, tanmateix, transmetre llum sense cap pèrdua.
Aquestes guies d'ones es classifiquen com guies d'ones de cristall fotònic (amb un patró 2D o 3D) o guies d'ones segmentades (amb un patró 1D al llarg de la direcció de propagació).
Guia d'ones inscrita amb làser
La indústria fotònica és on les guies d'ones òptiques són més útils. La integració entre xips elèctrics i fibres òptiques és possible mitjançant la configuració de les guies d'ones a l'espai 3D.
Un únic mode de llum infraroja a longituds d'ona de telecomunicacions es pot propagar mitjançant aquestes guies d'ona, que també estan configurades per transportar senyals òptics entre els llocs d'entrada i de sortida amb una pèrdua extremadament petita.
Ús de la guia d'ona òptica
En els sistemes de comunicacions, radiodifusió i radar per microones, una guia d'ones és una línia d'alimentació electromagnètica. Una guia d'ones està feta d'un tub o tub metàl·lic que és rectangular o cilíndric.
El camp electromagnètic s'estén longitudinalment. Les antenes de botzina i parabòlica són les aplicacions de guies d'ones més típiques.
Fibra òptica: és una guia d'ones?
La reflexió interna total, que regula el funcionament de la fibra òptica, es pot considerar com una guia d'ona de llum.
Si l'angle d'incidència és més gran que l'angle crític, la reflexió interna total es produeix quan una ona que es propaga es troba amb la frontera entre dos materials diferents.
Conclusió
En conclusió, una guia d'ones òptica és una estructura que "guia" una ona de llum evitant que viatgi en una direcció diferent a la que es vol. A la indústria mèdica, les fibres òptiques s'utilitzen freqüentment tant per al diagnòstic com per a la teràpia.
Els fils flexibles fets de fibres òptiques es poden col·locar als pulmons, les artèries sanguínies i altres òrgans. Un tub llarg allotja dos paquets de fibres òptiques dins d'un endoscopi, un dispositiu mèdic.
Es crea una imatge detallada dirigint la llum cap al teixit a prova en un paquet mentre es rep la llum reflectida a l'altre paquet. Es poden fabricar endoscopis per examinar determinades parts del cos o articulacions, com ara els genolls.
Deixa un comentari