Obsah[Skrýt][Ukázat]
Fyzický objekt, který usměrňuje elektromagnetické vlny v optickém spektru, se nazývá optický vlnovod.
Typickými formami optických vlnovodů jsou průhledné dielektrické vlnovody složené z plastu a skla, stejně jako optické vlákno.
Prostorový rozsah, ve kterém se světlo může šířit, je omezen optickým vlnovodem, což je prostorově nehomogenní zařízení pro směrování světla.
Typicky má vlnovod část, kde je index lomu vyšší než okolní médium (tzv. obklad).
V tomto článku prozkoumáme principy optického vlnovodu, některé příklady a mnoho dalšího.
Úvod do optického vlnovodu
Základními stavebními kameny fotonických zařízení jsou optické vlnovody, které směrují, spojují, přepínají, rozdělují, multiplexují a demultiplexují optické signály.
Pomocí planární technologie, která je podobná mikroelektronice, lze pasivní vlnovody, elektrooptické součástky, vysílače, přijímače a řídící elektroniku spojit do jediného čipu.
Výkon vlnovodných zařízení závisí na řadě faktorů, včetně geometrie, vlnové délky, počáteční distribuce pole, materiálových informací a podmínek elektrooptického řízení, a to navzdory skutečnosti, že jejich funkce byla rozsáhle studována a pochopena.
Před vytvořením gadgetu je třeba vyladit určité parametry. Protože k vytvoření čipu je potřeba tolik zdrojů, přesné modelování je pro rozsáhlé optoelektronické obvody zásadní.
Vlnovodové módy, módová vazba, ztráta a zisk, stejně jako přenos světelných signálů, to vše je simulováno v designu optického vlnovodu.
Zařízení vlnovodu je popsáno v jedné části vstupních dat jeho geometrií, výrobními faktory a materiálovými konstantami.
Data vlnovodu by měla být v ideálním případě zadána pomocí projektového rozvržení se softwarem, který může také spravovat výrobní parametry.
Pro nastavení numerických výpočtů obsahuje zadávání dat i další složku. V dokonalém světě by vstupní systémy skrývaly nebo omezovaly specifika numerických výpočtů.
Ale protože modelování vlnovodu často využívá složité numerické postupy, musíte být obeznámeni s některými prvky základních numerických metod.
Fotonické obvody jsou konstruovány pomocí vlnovodů. Kolmo k trase podél středu vlnovodu je definována šířka vlnovodu, ať už pevná nebo měnící se.
Základní principy optického vlnovodu
Jak je znázorněno na obrázku, geometrické koncepty nebo koncepty paprskové optiky lze použít k vyjádření základních myšlenek, na nichž jsou založeny optické vlnovody.
Lom je proces, při kterém se světlo, které vstupuje do materiálu s vyšším indexem lomu, ohýbá směrem k normálu.
Zvažte případ světla pronikajícího do skla ze vzduchu. Podobně jako světlo pohybující se na druhou stranu, ze skla do vzduchu, sleduje stejnou trasu a odchyluje se od obvyklého. Díky časově reverzní symetrii to vyplývá. Je možné mapovat každý paprsek ve vzduchu na paprsek ve skle.
Existuje vztah jedna ku jedné. Některé světelné paprsky ve skle však chybí kvůli lomu. Úplný vnitřní odraz, který zachycuje zbývající světlo ve skle, je mechanismus, který funguje.
V úhlu nad kritickým úhlem dopadají na kontakt skla se vzduchem. V sofistikovanějších formulacích postavených na Greenově funkci tyto dodatečné paprsky korelují s větší hustotou stavů.
V dielektrickém vlnovodu můžeme zachytit a nasměrovat světlo pomocí úplného vnitřního odrazu. Paprsky červeného světla se odrážejí od horního a spodního povrchu média s vysokým indexem.
Dokud se deska ohýbá postupně, může být směrována, i když se zakřivuje nebo ohýbá. Světlo je vedeno podél skleněného jádra s vysokým indexem indexu ve skleněném plášti s nižším indexem podle tohoto základního principu ve vláknové optice.
Provoz vlnovodu je paprskovou optikou znázorněn pouze zhruba. Pro úplný popis dielektrického vlnovodu lze Maxwellovy rovnice řešit analyticky nebo numericky.
Příklad optického vlnovodu
Dielektrické deskové vlnovody, také známé jako planární vlnovody, jsou možná nejzákladnějším druhem optických vlnovodů.
Uspořádané vlnovodné mřížky, akusticko-optické filtry a modulátory jsou jen několik zařízení na čipu, která mohou díky své jednoduchosti používat deskové vlnovody.
Deskové vlnovody se také často používají jako modely hraček.
Tři vrstvy materiálů, z nichž každá má odlišnou dielektrickou konstantu, jsou zkombinovány, aby vytvořily deskový vlnovod, který se může nekonečně rozprostírat ve směrech paralelních k rozhraním mezi nimi.
Pokud má střední vrstva vyšší index lomu než vnější vrstvy, je světlo obsaženo ve střední vrstvě prostřednictvím úplného vnitřního odrazu.
Některé příklady 2-dimenzionálního vlnovodu
Pásový vlnovod
V podstatě pásek vrstvy, který je vtlačen mezi obkladové vrstvy, tvoří pásový vlnovod.
Vodicí vrstva deskového vlnovodu je omezena v obou příčných směrech spíše než jednoduše v jednom, což vede k nejjednoduššímu příkladu pravoúhlého vlnovodu. Jak integrované optické obvody, tak laserové diody využívají obdélníkové vlnovody.
Často slouží jako základ pro optické části, jako jsou Mach-Zehnderovy interferometry a multiplexery s vlnovou délkou. Mnohokrát se obdélníkové optické vlnovody používají k budování dutin laserových diod.
K vytvoření optických vlnovodů s obdélníkovým tvarem se obvykle používá rovinná technika.
Žebrový vlnovod
V žebrovém vlnovodu je vodicí vrstva v podstatě deska s páskem (nebo více pásy), který je na ni překryt.
Ve vícevrstvých žebrových strukturách je možné zadržování blízké jednotě stejně jako zadržování vlny ve dvou rozměrech v žebrových vlnovodech.
Vlnovod fotonického krystalu a segmentovaný vlnovod
Podél své dráhy šíření si optické vlnovody normálně udržují konstantní průřez. Tak je tomu například u pásových a žebrových vlnovodů.
Použitím takzvaných Blochových módů mohou mít vlnovody také periodické změny ve svém průřezu a přesto propouštět světlo bez jakýchkoli ztrát.
Tyto vlnovody jsou klasifikovány jako vlnovody s fotonickým krystalem (s 2D nebo 3D vzorováním) nebo segmentované vlnovody (s 1D vzorováním ve směru šíření).
Laserem vepsaný vlnovod
Fotonický průmysl je místo, kde jsou optické vlnovody nejužitečnější. Integrace mezi elektrickými čipy a optickými vlákny je umožněna nastavením vlnovodů ve 3D prostoru.
Jediný režim infračerveného světla na telekomunikačních vlnových délkách lze šířit pomocí takových vlnovodů, které jsou také nastaveny tak, aby přenášely optické signály mezi vstupními a výstupními místy s extrémně malými ztrátami.
Použití optického vlnovodu
V mikrovlnných komunikacích, vysílání a radarových systémech je vlnovod elektromagnetickým napájecím vedením. Vlnovod je vyroben z kovové trubky nebo trubky, která je obdélníková nebo válcová.
Elektromagnetické pole se šíří podélně. Hornové a parabolické antény jsou nejtypičtějšími aplikacemi vlnovodu.
Optické vlákno – je to vlnovod?
Úplný vnitřní odraz, který řídí fungování optického vlákna, lze považovat za světelný vlnovod.
Pokud je úhel dopadu větší než kritický úhel, dojde k úplnému vnitřnímu odrazu, když se šířící vlna narazí na hranici mezi dvěma různými materiály.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Závěrem lze říci, že optický vlnovod je struktura, která „vede“ světelnou vlnu tím, že jí brání v pohybu jiným směrem, než je žádoucí. V lékařském průmyslu se optická vlákna často používají jak pro diagnostiku, tak pro terapii.
Ohebné prameny vyrobené z optických vláken lze umístit do plic, krevních tepen a dalších orgánů. Jedna dlouhá trubice obsahuje dva svazky optických vláken uvnitř endoskopu, lékařského zařízení.
Detailní obraz je vytvořen nasměrováním světla směrem k testované tkáni v jednom svazku, zatímco světlo odražené od ní přijímá ve druhém svazku. Endoskopy mohou být vyrobeny pro vyšetření určitých částí těla nebo kloubů, jako jsou kolena.
Napsat komentář