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Ein physikalisches Objekt, das elektromagnetische Wellen im optischen Spektrum lenkt, wird als Lichtwellenleiter bezeichnet.
Typische Formen von Lichtwellenleitern sind transparente dielektrische Wellenleiter aus Kunststoff und Glas sowie Lichtwellenleiter.
Der räumliche Bereich, in dem sich Licht ausbreiten kann, wird durch einen optischen Wellenleiter eingeschränkt, der eine räumlich inhomogene Einrichtung zum Lenken von Licht ist.
Typischerweise hat ein Wellenleiter einen Abschnitt, in dem der Brechungsindex höher ist als der des umgebenden Mediums (Mantel genannt).
In diesem Artikel untersuchen wir die Prinzipien des Lichtwellenleiters, einige Beispiele und vieles mehr.
Einführung in die Lichtwellenleiter
Die grundlegenden Bausteine photonischer Geräte sind optische Wellenleiter, die optische Signale leiten, koppeln, schalten, teilen, multiplexen und demultiplexen.
Unter Verwendung der Mikroelektronik ähnlichen Planartechnologie können passive Wellenleiter, elektrooptische Komponenten, Sender, Empfänger und Ansteuerungselektronik auf einem einzigen Chip kombiniert werden.
Die Leistung von Wellenleitervorrichtungen hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter Geometrie, Wellenlänge, anfängliche Feldverteilung, Materialinformationen und elektrooptische Treiberbedingungen, obwohl ihre Funktionsweise umfassend untersucht und verstanden wurde.
Vor der Herstellung eines Gadgets müssen bestimmte Parameter abgestimmt werden. Da für die Herstellung eines Chips so viele Ressourcen benötigt werden, ist eine präzise Modellierung für große optoelektronische Schaltungen unerlässlich.
Wellenleitermoden, Modenkopplung, Dämpfung und Verstärkung sowie die Übertragung von Lichtsignalen werden alle im Lichtwellenleiterdesign simuliert.
Die Wellenleitervorrichtung wird in einem Abschnitt der Eingabedaten durch ihre Geometrie, Herstellungsfaktoren und Materialkonstanten beschrieben.
Die Wellenleiterdaten sollten idealerweise über ein Projektlayout mit einer Software eingegeben werden, die auch Herstellungsparameter verwalten kann.
Zur Einstellung numerischer Berechnungen enthält die Dateneingabe noch eine weitere Komponente. In einer perfekten Welt würden Eingabesysteme die Besonderheiten der numerischen Berechnung verbergen oder einschränken.
Da bei der Wellenleitermodellierung jedoch häufig komplexe numerische Verfahren zum Einsatz kommen, müssen Sie mit einigen Elementen der zugrunde liegenden Numerik vertraut sein.
Photonische Schaltungen werden unter Verwendung von Wellenleitern aufgebaut. Senkrecht zur Route entlang der Wellenleitermitte ist die Definition der Breite eines Wellenleiters, ob fest oder veränderlich.
Grundprinzip des Lichtwellenleiters
Wie im Bild gezeigt, können geometrische oder strahlenoptische Konzepte verwendet werden, um die grundlegenden Ideen zu vermitteln, die optischen Wellenleitern zugrunde liegen.
Brechung ist der Prozess, bei dem Licht, das in ein Material mit einem höheren Brechungsindex eintritt, zur Normalen hin gebogen wird.
Betrachten Sie den Fall, in dem Licht aus der Luft in Glas eindringt. Ähnlich wie Licht sich in die andere Richtung bewegt, von Glas zu Luft, folgt der gleichen Route und weicht vom Üblichen ab. Aufgrund der Zeitumkehrsymmetrie ergibt sich dies. Es ist möglich, jeden Strahl in der Luft einem Strahl im Glas zuzuordnen.
Es besteht eine Eins-zu-Eins-Beziehung. Einige der Lichtstrahlen im Glas gehen jedoch aufgrund der Brechung verloren. Totalreflexion, die das restliche Licht im Glas einfängt, ist der Mechanismus, der am Werk ist.
Unter einem Winkel über dem kritischen Winkel treffen sie auf den Glas-Luft-Kontakt. In anspruchsvolleren Formulierungen, die auf der Green-Funktion aufbauen, korrelieren diese zusätzlichen Strahlen mit einer größeren Zustandsdichte.
In einem dielektrischen Wellenleiter können wir das Licht durch Totalreflexion einfangen und lenken. Rote Lichtstrahlen werden von der Ober- und Unterseite des Mediums mit hohem Index reflektiert.
Solange sich die Platte allmählich biegt, kann sie gerichtet werden, selbst wenn sie sich krümmt oder biegt. Gemäß diesem Grundprinzip der Faseroptik wird Licht entlang eines hochbrechenden Glaskerns in einem Glasmantel mit niedrigerem Brechungsindex geführt.
Der Wellenleiterbetrieb wird durch die Strahlenoptik nur grob abgebildet. Für eine vollständige Beschreibung eines dielektrischen Wellenleiters können die Maxwell-Gleichungen analytisch oder numerisch gelöst werden.
Beispiel für Lichtwellenleiter
Dielektrische Plattenwellenleiter, auch als planare Wellenleiter bekannt, sind vielleicht die grundlegendste Art von optischen Wellenleitern.
Arrayed Waveguide Gratings, akusto-optische Filter und Modulatoren sind nur einige On-Chip-Geräte, die Slab Waveguides aufgrund ihrer Einfachheit verwenden können.
Plattenwellenleiter werden auch häufig als Spielzeugmodelle verwendet.
Drei Materialschichten, die jeweils eine unterschiedliche Dielektrizitätskonstante aufweisen, werden kombiniert, um den Plattenwellenleiter zu bilden, der sich unbegrenzt in Richtungen parallel zu den Grenzflächen zwischen ihnen erstrecken kann.
Wenn die mittlere Schicht einen höheren Brechungsindex als die äußeren Schichten hat, wird Licht durch Totalreflexion in der mittleren Schicht gehalten.
Einige Beispiele des 2-dimensionalen Wellenleiters
Streifenwellenleiter
Grundsätzlich besteht ein Streifenwellenleiter aus einem Streifen der Schicht, der zwischen Mantelschichten gequetscht wird.
Die Führungsschicht des Plattenwellenleiters ist in beiden Querrichtungen eingeschränkt und nicht nur in einer, was zu dem einfachsten Beispiel eines rechteckigen Wellenleiters führt. Sowohl integrierte optische Schaltungen als auch Laserdioden verwenden rechteckige Wellenleiter.
Sie dienen häufig als Grundlage für optische Teile wie Mach-Zehnder-Interferometer und Wellenlängenmultiplexer. Häufig werden rechteckige Lichtwellenleiter verwendet, um die Hohlräume von Laserdioden aufzubauen.
Typischerweise wird eine planare Technik verwendet, um optische Wellenleiter mit einer rechteckigen Form zu erzeugen.
Rippenwellenleiter
In einem Rippenwellenleiter ist die Führungsschicht im Wesentlichen eine Platte mit einem darüberliegenden Streifen (oder mehreren Streifen).
In mehrschichtigen Rippenstrukturen ist ein Einschluss nahe einer Einheit sowie ein Einschluss der Welle in zwei Dimensionen in Rippenwellenleitern möglich.
Photonischer Kristallwellenleiter und segmentierter Wellenleiter
Lichtwellenleiter behalten normalerweise entlang ihres Ausbreitungsweges einen konstanten Querschnitt. Dies ist beispielsweise bei Streifen- und Rippenwellenleitern der Fall.
Durch die Nutzung sogenannter Bloch-Moden können Wellenleiter auch periodische Querschnittsänderungen aufweisen und dennoch Licht verlustfrei übertragen.
Diese Wellenleiter werden als photonische Kristallwellenleiter (mit 2D- oder 3D-Strukturierung) oder segmentierte Wellenleiter (mit 1D-Strukturierung entlang der Ausbreitungsrichtung) klassifiziert.
Laserbeschrifteter Wellenleiter
In der Photonik-Industrie sind optische Wellenleiter am nützlichsten. Die Integration zwischen elektrischen Chips und optischen Fasern wird durch die Anordnung der Wellenleiter im 3D-Raum ermöglicht.
Ein Einzelmodus von Infrarotlicht bei Telekommunikationswellenlängen kann unter Verwendung solcher Wellenleiter ausgebreitet werden, die auch eingerichtet sind, um optische Signale zwischen Eingangs- und Ausgangsstellen mit extrem geringen Verlusten zu übertragen.
Verwendung von Lichtwellenleitern
In Mikrowellenkommunikations-, Rundfunk- und Radarsystemen ist ein Wellenleiter eine elektromagnetische Zuleitung. Ein Hohlleiter besteht aus einem rechteckigen oder zylindrischen Metallrohr oder -rohr.
Das elektromagnetische Feld breitet sich in Längsrichtung aus. Horn- und Parabolantennen sind die typischsten Wellenleiteranwendungen.
Glasfaser – ist es ein Wellenleiter?
Die Totalreflexion, die die Funktionsweise von Glasfasern bestimmt, kann als Lichtwellenleiter betrachtet werden.
Wenn der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist, tritt Totalreflexion auf, wenn eine sich ausbreitende Welle auf die Grenze zwischen zwei verschiedenen Materialien trifft.
Zusammenfassung
Zusammenfassend ist ein optischer Wellenleiter eine Struktur, die eine Lichtwelle „leitet“, indem sie verhindert, dass sie sich in eine andere Richtung als die gewünschte ausbreitet. In der medizinischen Industrie werden optische Fasern häufig sowohl für die Diagnose als auch für die Therapie verwendet.
Flexible Stränge aus optischen Fasern können in die Lungen, Blutarterien und andere Organe eingeführt werden. Ein langer Schlauch beherbergt zwei Bündel optischer Fasern in einem Endoskop, einem medizinischen Gerät.
Ein detailliertes Bild wird erzeugt, indem Licht in einem Bündel auf das zu testende Gewebe gerichtet wird, während im anderen Bündel davon reflektiertes Licht empfangen wird. Endoskope können angefertigt werden, um bestimmte Körperteile oder Gelenke, wie zum Beispiel die Knie, zu untersuchen.
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