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Un ughjettu fisicu chì dirige l'onda elettromagnetica in u spettru otticu hè chjamatu guida d'onda otticu.
Guide d'onda dielettriche trasparenti composte di plastica è vetru, è ancu di fibra ottica, sò forme tipiche di guide d'onda ottiche.
A gamma spaziale in quale a luce pò propagate hè limitata da una guida d'onda otticu, chì hè un dispositivu spazialmente inhomogeneu per dirige a luce.
Di genere, una guida d'onda hà una sezione induve l'indice di rifrazione hè più altu ch'è u mediu circundante (chjamatu cladding).
In questu articulu, esamineremu i principii di a guida d'onda ottica, alcuni esempi, è assai di più.
Introduzione à a guida d'onda ottica
I blocchi fundamentali di i dispositi fotonici sò guide d'onda ottiche, chì dirigenu, accoppianu, cambianu, dividenu, multiplexendu è demultiplexi segnali ottici.
Utilizendu a tecnulugia planare, chì hè simile à a microelettronica, guide d'onda passive, cumpunenti elettroottici, trasmettitori, ricevitori è elettronica di guida ponu esse cumminati in un unicu chip.
U funziunamentu di i dispositi di guida d'onda dipende da una varietà di fatturi, cumprese a geometria, a lunghezza d'onda, a distribuzione iniziale di u campu, l'infurmazioni materiali è e cundizioni di guida elettroottica, malgradu u fattu chì u so funziunamentu hè statu largamente studiatu è capitu.
Prima di fà un gadget, certi paràmetri anu da esse sintonizzati. Perchè tante risorse sò necessarie per creà un chip, a modellazione precisa hè essenziale per i circuiti optoelettronici à grande scala.
I modi di guida d'onda, l'accoppiamentu di u modu, a perdita è u guadagnu, è ancu a trasmissione di segnali luminosi, sò tutti simulati in u disignu di guida d'onda ottica.
U dispusitivu di guida d'onda hè descrittu in una sezione di i dati di l'entrata da a so geometria, i fatturi di fabricazione è e custanti di materiale.
I dati di a guida d'onda sò idealmente inseriti cù un layout di prughjettu cù un software chì pò ancu gestisce i parametri di fabricazione.
Per stabilisce computazioni numeriche, l'ingressu di dati include ancu un altru cumpunente. In un mondu perfettu, i sistemi di input ammucciaranu o restringenu e specificità di u calculu numericu.
Ma postu chì a modellazione di guida d'onda faci spessu usu di prucedure numeriche cumplesse, avete bisognu di familiarizà cù certi elementi di i numerichi sottostanti.
I circuiti fotonici sò custruiti cù guide d'onda. Perpendiculare à u percorsu longu u centru di a guida d'onda hè a definizione di a larghezza di una guida d'onda, sia fissa o cambiante.
Principi di base di guida d'onda ottica
Cum'è mostra in a stampa, i cuncetti di l'ottica geomètrica o di raghji ponu esse utilizati per trasmette l'idee fundamentali chì sustenenu guide d'onda ottiche.
A rifrazzione hè u prucessu per quale a luce chì entra in un materiale chì hà un indice di rifrazione più altu si curva versu u normale.
Cunsiderate u casu di luce chì entra in vetru da l'aria. Simile à a manera chì a luce si move in l'altra strada, da u vetru à l'aria, seguita a listessa strada è si devia da u solitu. A causa di a simmetria di inversione di u tempu, questu risultatu. Hè pussibule mape ogni raghji in l'aria à un ragiu in u vetru.
Una relazione unu à unu esiste. Ma alcuni di i raghji di luce in u vetru sò mancati per via di a rifrazione. A riflessione interna tutale, chì intrappulà a luce restante in u vetru, hè u mecanismu à u travagliu.
À un angulu sopra l'angolo criticu, sò incidenti nantu à u cuntattu di vetru-aria. In formulazioni più sufisticati custruiti nantu à a funzione di Green, sti raghji supplementari correlate à una densità più grande di stati.
In una guida d'onda dielettrica, pudemu catturà è dirige a luce usendu a riflessione interna tutale. I raghji di luce rossa riflettenu nantu à a superficia superiore è inferiore di u mediu altu indice.
Sempre chì a lastra si curva gradualmente, pò esse diretta ancu quandu si curva o si curva. A luce hè guidata longu un core di vetru à altu indice in un rivestimentu di vetru indice più bassu secondu stu principiu fundamentale in fibra ottica.
U funziunamentu di a guida d'onda hè raffiguratu solu da l'ottica di raggi. Per una descrizzione di u campu cumpletu di una guida d'onda dielettrica, l'equazioni di Maxwell ponu esse risolte analiticamente o numericamente.
Esempiu di guida d'onda ottica
Guide d'onda di lastra dielettrica, cunnisciute ancu com'è guide d'onda planari, sò forse u tipu più basicu di guide d'onda ottiche.
I griglie di guida d'onda arrayed, i filtri acustu-ottici è i modulatori sò solu uni pochi di dispositivi in chip chì ponu aduprà guide d'onda di lastra per via di a so simplicità.
I guide d'onda Slab sò ancu spessu usati cum'è mudelli di ghjoculi.
Trè strati di materiali, ognuna cù una constante dielettrica distinta, sò cumminati per furmà a guida d'onda di lastra, chì pò estenderà indefinitu in direzzione parallela à l'interfacce trà elli.
Se a capa cintrali hà un indice di rifrazione più altu ch'è i strati esterni, a luce hè cuntenuta in a capa media per a riflessione interna tutale.
Alcuni esempi di guida d'onda bidimensionale
Guida d'onda a striscia
In fondu, una striscia di u stratu chì hè spressu trà i strati di rivestimentu hè ciò chì custituisce una guida d'onda di striscia.
U stratu di guida di a guida d'onda di lastra hè custrettu in e duie direzzione trasversali piuttostu cà solu una, risultante in l'esempiu più simplice di una guida d'onda rettangulare. I circuiti ottici integrati è i diodi laser impieganu guide d'onda rettangulari.
Spessu servenu cum'è fundazione per parti ottiche cum'è interferometri Mach-Zehnder è multiplexer di divisione di lunghezza d'onda. Parechje volte, guide d'onda ottiche rettangulari sò aduprate per custruisce e cavità di diodi laser.
Una tecnica planare hè tipicamente usata per creà guide d'onda ottiche cù una forma rettangulare.
Guida d'onda costale
In una guida d'onda di rib, a strata di guida hè essenzialmente una lastra cù una striscia (o più strisce) sovrapposte sopra.
In strutture di nervature multistrati, u cunfinamentu vicinu à l'unità hè pussibule, è ancu u cunfinamentu di l'onda in duie dimensioni in guide d'onda di rib.
Guida d'onda a cristalli fotonici e guida d'onda segmentata
Lungo u so percorsu di propagazione, e guide d'onda ottiche mantenenu normalment una sezione trasversale constante. Questa hè a situazione, per esempiu, cù guide d'onda di striscia è rib.
Utilizendu i modi chjamati Bloch, i guide d'onda ponu ancu avè variazioni periodiche in a so sezione trasversale è ancu trasmettenu a luce senza alcuna perdita.
Queste guide d'onda sò classificate cum'è guide d'onda di cristalli fotonici (cù un mudellu 2D o 3D) o guide d'onda segmentate (cun un mudellu 1D longu a direzzione di propagazione).
Guida d'onda inscritta al laser
L'industria fotonica hè induve e guide d'onda ottiche sò più utili. L'integrazione trà chips elettriche è fibre ottiche hè pussibule da a creazione di e guide d'onda in u spaziu 3D.
Un modu unicu di luce infrarossa à e lunghezze d'onda di telecomunicazione pò esse propagatu cù tali guide d'onda, chì sò ancu stallati per purtà segnali ottici trà i siti di input è output cù una perdita estremamente minima.
Usi di guida d'onda ottica
In i sistemi di cumunicazioni à microonde, di trasmissione è di radar, una guida d'onda hè una linea di alimentazione elettromagnetica. Una guida d'onda hè fatta da un tubu o tubu metallicu chì hè rettangulare o cilindrico.
U campu elettromagneticu si sparghje longitudinalmente. L'antenne a corno è a parabola sò l'applicazioni più tipiche di guida d'onda.
Fibra ottica - hè una guida d'onda?
A riflessione interna tutale, chì guverna cumu funziona a fibra ottica, pò esse pensata cum'è una guida d'onda di luce.
Se l'angolo d'incidenza hè più grande di l'angolo criticu, a riflessione interna tutale si trova quandu una onda propagante scontra u cunfini trà dui materiali diffirenti.
cunchiusioni
In cunclusioni, una guida d'onda otticu hè una struttura chì "guida" una onda di luce impedendu chì viaghja in una direzzione diversa da quella chì hè vulsutu. In l'industria medica, e fibre ottiche sò spessu utilizzate per u diagnosticu è a terapia.
I filamenti flessibili fatti di fibre ottiche ponu esse posti in i pulmoni, l'arterie di sangue è altri organi. Un tubu longu ospita dui fasci di fibre ottiche in un endoscopiu, un dispositivu medicale.
Un ritrattu detallatu hè creatu da dirighjendu a luce versu u tissutu in prova in un fasciu mentre riceve a luce riflessa da ellu in l'altru fasciu. L'endoscopi ponu esse fatti per esaminà certi parti di u corpu o articuli, cum'è i ghjinochje.
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