Indholdsfortegnelse[Skjule][At vise]
Et fysisk objekt, der leder elektromagnetiske bølger i det optiske spektrum, kaldes en optisk bølgeleder.
Transparente dielektriske bølgeledere sammensat af plast og glas samt optiske fibre er typiske former for optiske bølgeledere.
Det rumlige område, hvori lys kan forplante sig, er begrænset af en optisk bølgeleder, som er en rumligt inhomogen enhed til at dirigere lys.
Typisk har en bølgeleder et afsnit, hvor brydningsindekset er højere end det omgivende medium (kaldet beklædning).
I denne artikel vil vi undersøge den optiske bølgeleders principper, nogle eksempler og meget mere.
Introduktion til optisk bølgeleder
De grundlæggende byggesten i fotoniske enheder er optiske bølgeledere, som dirigerer, kobler, skifter, dividerer, multiplekser og demultiplekser optiske signaler.
Ved at bruge planar teknologi, som er beslægtet med mikroelektronik, kan passive bølgeledere, elektrooptiske komponenter, sendere, modtagere og drivelektronik alle kombineres på en enkelt chip.
Ydeevnen af bølgelederenheder afhænger af en række faktorer, herunder geometri, bølgelængde, indledende feltfordeling, materialeinformation og elektrooptiske kørselsforhold, på trods af at deres funktion er blevet grundigt undersøgt og forstået.
Før du laver en gadget, skal visse parametre indstilles. Fordi der kræves så mange ressourcer for at skabe en chip, er præcis modellering afgørende for optoelektroniske kredsløb i stor skala.
Bølgeledertilstande, tilstandskobling, tab og forstærkning samt transmission af lyssignaler er alle simuleret i optisk bølgelederdesign.
Bølgelederanordningen er beskrevet i et afsnit af indtastningsdataene ved dens geometri, fremstillingsfaktorer og materialekonstanter.
Bølgelederdataene bør ideelt set indlæses ved hjælp af et projektlayout med software, der også kan styre fremstillingsparametre.
Til indstilling af numeriske beregninger omfatter indtastning af data også en anden komponent. I en perfekt verden ville inputsystemer skjule eller begrænse detaljerne i den numeriske beregning.
Men da bølgeledermodellering ofte gør brug af komplekse numeriske procedurer, skal du være bekendt med nogle elementer i de underliggende numeriske.
Fotoniske kredsløb er konstrueret ved hjælp af bølgeledere. Vinkelret på ruten langs bølgelederens centrum er definitionen af en bølgeleders bredde, uanset om den er fast eller skiftende.
Grundlæggende princip for optisk bølgeleder
Som vist på billedet kan geometriske eller stråleoptiske koncepter bruges til at formidle de grundlæggende ideer, der ligger til grund for optiske bølgeledere.
Brydning er den proces, hvorved lys, der kommer ind i et materiale med et højere brydningsindeks, bøjes mod det normale.
Overvej tilfældet med lys, der trænger ind i glas fra luften. Svarende til, hvordan lys bevæger sig den anden vej, fra glas til luft, følger samme rute og afviger fra det sædvanlige. På grund af tidsvendende symmetri resulterer dette. Det er muligt at kortlægge hver stråle i luften til en stråle i glasset.
Der eksisterer et en-til-en forhold. Men nogle af lysstrålerne i glasset savnes på grund af brydning. Total intern refleksion, som fanger det resterende lys i glasset, er mekanismen på arbejde.
I en vinkel over den kritiske vinkel falder de ind på glas-luft-kontakten. I mere sofistikerede formuleringer bygget på Greens funktion korrelerer disse ekstra stråler med en større tæthed af tilstande.
I en dielektrisk bølgeleder kan vi fange og rette lyset ved at bruge total intern refleksion. Røde lysstråler reflekteres fra højindeksmediets top- og bundflader.
Så længe pladen bøjer sig gradvist, kan den rettes, selv når den krummer eller bøjer. Lys ledes langs en glaskerne med høj indeks i en glasbeklædning med lavere indeks i henhold til dette grundlæggende princip i fiberoptik.
Bølgelederdrift er kun groft afbildet af stråleoptik. For en fuldfeltsbeskrivelse af en dielektrisk bølgeleder kan Maxwells ligninger løses analytisk eller numerisk.
Eksempel på optisk bølgeleder
Dielektriske pladebølgeledere, også kendt som plane bølgeledere, er måske den mest grundlæggende slags optiske bølgeledere.
Arrayed bølgeledergitre, akusto-optiske filtre og modulatorer er blot nogle få on-chip enheder, der kan bruge pladebølgeledere på grund af deres enkelhed.
Pladebølgeledere bruges også ofte som legetøjsmodeller.
Tre lag af materialer, som hver har en distinkt dielektrisk konstant, kombineres for at danne pladebølgelederen, som kan strække sig uendeligt i retninger parallelt med grænsefladerne mellem dem.
Hvis det centrale lag har et højere brydningsindeks end de ydre lag, er lys indeholdt i mellemlaget gennem total intern refleksion.
Nogle eksempler på den 2-dimensionelle bølgeleder
Strip bølgeleder
Grundlæggende er en strimmel af laget, der er klemt ind mellem beklædningslag, det, der udgør en strimmelbølgeleder.
Pladebølgelederens styrelag er begrænset i begge tværgående retninger snarere end blot én, hvilket resulterer i det enkleste eksempel på en rektangulær bølgeleder. Både integrerede optiske kredsløb og laserdioder anvender rektangulære bølgeledere.
De tjener ofte som grundlaget for optiske dele såsom Mach-Zehnder interferometre og bølgelængdemultipleksere. Mange gange bruges rektangulære optiske bølgeledere til at bygge hulrum i laserdioder.
En plan teknik bruges typisk til at skabe optiske bølgeledere med en rektangulær form.
Rib bølgeleder
I en ribbebølgeleder er styrelaget i det væsentlige en plade med en strimmel (eller flere strimler) overlejret ovenpå.
I flerlags ribbestrukturer er indeslutning af næsten enhed mulig såvel som indeslutning af bølgen i to dimensioner i ribbebølgeledere.
Fotonisk krystalbølgeleder og segmenteret bølgeleder
Langs deres udbredelsesvej holder optiske bølgeledere normalt et konstant tværsnit. Dette er for eksempel situationen med strimmel- og ribbebølgeledere.
Ved at bruge såkaldte Bloch-tilstande kan bølgeledere også have periodiske variationer i deres tværsnit og alligevel transmittere lys uden tab.
Disse bølgeledere er klassificeret som fotoniske krystalbølgeledere (med 2D- eller 3D-mønster) eller segmenterede bølgeledere (med 1D-mønster langs udbredelsesretningen).
Laserindskrevet bølgeleder
Fotonikindustrien er, hvor optiske bølgeledere er mest nyttige. Integration mellem elektriske chips og optiske fibre er muliggjort ved at opsætte bølgelederne i 3D-rum.
En enkelt tilstand af infrarødt lys ved telekommunikationsbølgelængder kan udbredes ved hjælp af sådanne bølgeledere, som også er sat op til at bære optiske signaler mellem input- og outputsteder med ekstremt lille tab.
Optisk bølgeleder bruger
I mikrobølgekommunikations-, udsendelses- og radarsystemer er en bølgeleder en elektromagnetisk fødeledning. En bølgeleder er lavet af et metalrør eller -rør, der er rektangulært eller cylindrisk.
Det elektromagnetiske felt spredes i længderetningen. Horn- og parabolantenner er de mest typiske bølgelederanvendelser.
Optisk fiber - er det en bølgeleder?
Total intern refleksion, som styrer, hvordan optisk fiber fungerer, kan opfattes som en lysbølgeleder.
Hvis indfaldsvinklen er større end den kritiske vinkel, opstår total intern refleksion, når en udbredt bølge støder på grænsen mellem to forskellige materialer.
Konklusion
Afslutningsvis er en optisk bølgeleder en struktur, der "guider" en lysbølge ved at forhindre den i at bevæge sig i en anden retning end den, der ønskes. I den medicinske industri anvendes optiske fibre ofte til både diagnose og terapi.
Fleksible tråde lavet af optiske fibre kan placeres i lungerne, blodårerne og andre organer. Et langt rør rummer to bundter af optiske fibre inde i et endoskop, et medicinsk udstyr.
Et detaljeret billede skabes ved at rette lyset mod vævet under test i det ene bundt, mens det modtager lys, der reflekteres fra det i det andet bundt. Endoskoper kan laves til at undersøge visse kropsdele eller led, såsom knæene.
Giv en kommentar