Πίνακας περιεχομένων[Κρύβω][Προβολή]
Ένα φυσικό αντικείμενο που κατευθύνει ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο οπτικό φάσμα ονομάζεται οπτικός κυματοδηγός.
Οι διαφανείς διηλεκτρικοί κυματοδηγοί που αποτελούνται από πλαστικό και γυαλί, καθώς και οπτικές ίνες, είναι τυπικές μορφές οπτικών κυματοδηγών.
Το χωρικό εύρος στο οποίο μπορεί να διαδοθεί το φως περιορίζεται από έναν οπτικό κυματοδηγό, ο οποίος είναι μια χωρικά ανομοιογενής συσκευή για την κατεύθυνση του φωτός.
Συνήθως, ένας κυματοδηγός έχει ένα τμήμα όπου ο δείκτης διάθλασης είναι υψηλότερος από το περιβάλλον μέσο (που ονομάζεται επένδυση).
Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τις αρχές του οπτικού κυματοδηγού, μερικά παραδείγματα και πολλά άλλα.
Εισαγωγή στον οπτικό κυματοδηγό
Τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία των φωτονικών συσκευών είναι οι οπτικοί κυματοδηγοί, οι οποίοι κατευθύνουν, ζευγαρώνουν, διακόπτουν, διαιρούν, πολυπλέκουν και αποπολυπλέκουν οπτικά σήματα.
Χρησιμοποιώντας επίπεδη τεχνολογία, παρόμοια με τη μικροηλεκτρονική, οι παθητικοί κυματοδηγοί, τα ηλεκτροοπτικά εξαρτήματα, οι πομποί, οι δέκτες και τα ηλεκτρονικά συστήματα οδήγησης μπορούν όλα να συνδυαστούν σε ένα ενιαίο τσιπ.
Η απόδοση των συσκευών κυματοδηγού εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως γεωμετρία, μήκος κύματος, αρχική κατανομή πεδίου, πληροφορίες υλικού και ηλεκτροοπτικές συνθήκες οδήγησης, παρά το γεγονός ότι η λειτουργία τους έχει μελετηθεί και κατανοηθεί εκτενώς.
Πριν δημιουργήσετε ένα gadget, πρέπει να συντονιστούν ορισμένες παράμετροι. Επειδή απαιτούνται τόσοι πολλοί πόροι για τη δημιουργία ενός τσιπ, η ακριβής μοντελοποίηση είναι απαραίτητη για οπτοηλεκτρονικά κυκλώματα μεγάλης κλίμακας.
Οι λειτουργίες κυματοδηγού, η σύζευξη τρόπου λειτουργίας, η απώλεια και το κέρδος, καθώς και η μετάδοση φωτεινών σημάτων, προσομοιώνονται στο σχεδιασμό οπτικού κυματοδηγού.
Η συσκευή κυματοδηγού περιγράφεται σε ένα τμήμα των δεδομένων εισαγωγής από τη γεωμετρία, τους κατασκευαστικούς παράγοντες και τις σταθερές υλικού.
Τα δεδομένα του κυματοδηγού θα πρέπει ιδανικά να εισάγονται χρησιμοποιώντας μια διάταξη έργου με λογισμικό που μπορεί επίσης να διαχειριστεί παραμέτρους κατασκευής.
Για τον καθορισμό αριθμητικών υπολογισμών, η εισαγωγή δεδομένων περιλαμβάνει επίσης ένα άλλο στοιχείο. Σε έναν τέλειο κόσμο, τα συστήματα εισόδου θα κρύβουν ή θα περιορίζουν τις ιδιαιτερότητες του αριθμητικού υπολογισμού.
Αλλά επειδή η μοντελοποίηση κυματοδηγού χρησιμοποιεί συχνά πολύπλοκες αριθμητικές διαδικασίες, πρέπει να είστε εξοικειωμένοι με ορισμένα στοιχεία των υποκείμενων αριθμητικών.
Τα φωτονικά κυκλώματα κατασκευάζονται με χρήση κυματοδηγών. Κάθετα στη διαδρομή κατά μήκος του κέντρου του κυματοδηγού είναι ο ορισμός του πλάτους ενός κυματοδηγού, είτε είναι σταθερό είτε μεταβαλλόμενο.
Βασική αρχή οπτικού κυματοδηγού
Όπως φαίνεται στην εικόνα, οι έννοιες της γεωμετρικής ή οπτικής ακτίνων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μεταφέρουν τις θεμελιώδεις ιδέες στις οποίες στηρίζονται οι οπτικοί κυματοδηγοί.
Διάθλαση είναι η διαδικασία με την οποία το φως που εισέρχεται σε ένα υλικό με υψηλότερο δείκτη διάθλασης κάμπτεται προς το κανονικό.
Εξετάστε την περίπτωση του φωτός που εισέρχεται στο γυαλί από τον αέρα. Παρόμοια με το πώς το φως που κινείται αντίθετα, από το γυαλί στον αέρα, ακολουθεί την ίδια διαδρομή και αποκλίνει από το συνηθισμένο. Λόγω της συμμετρίας χρονικής αντιστροφής, αυτό προκύπτει. Είναι δυνατό να αντιστοιχίσετε κάθε ακτίνα στον αέρα σε μια ακτίνα στο ποτήρι.
Υπάρχει μια σχέση ένας προς έναν. Αλλά μερικές από τις ακτίνες φωτός στο γυαλί χάνονται λόγω διάθλασης. Η συνολική εσωτερική ανάκλαση, η οποία παγιδεύει το υπόλοιπο φως στο γυαλί, είναι ο μηχανισμός που λειτουργεί.
Σε γωνία πάνω από την κρίσιμη γωνία, προσπίπτουν στην επαφή γυαλιού-αέρα. Σε πιο εξελιγμένες συνθέσεις που βασίζονται στη λειτουργία του Green, αυτές οι πρόσθετες ακτίνες συσχετίζονται με μεγαλύτερη πυκνότητα καταστάσεων.
Σε έναν διηλεκτρικό κυματοδηγό, μπορούμε να συλλάβουμε και να κατευθύνουμε το φως χρησιμοποιώντας την ολική εσωτερική ανάκλαση. Οι ακτίνες του κόκκινου φωτός αντανακλούν τις επάνω και κάτω επιφάνειες του μέσου υψηλού δείκτη.
Εφόσον η πλάκα κάμπτεται σταδιακά, μπορεί να κατευθυνθεί ακόμα και όταν λυγίζει ή λυγίζει. Το φως οδηγείται κατά μήκος ενός πυρήνα γυαλιού υψηλού δείκτη σε γυάλινη επένδυση χαμηλότερου δείκτη σύμφωνα με αυτή τη θεμελιώδη αρχή στις οπτικές ίνες.
Η λειτουργία κυματοδηγού απεικονίζεται μόνο κατά προσέγγιση από την οπτική ακτίνα. Για μια περιγραφή πλήρους πεδίου ενός διηλεκτρικού κυματοδηγού, οι εξισώσεις του Maxwell μπορούν να λυθούν αναλυτικά ή αριθμητικά.
Παράδειγμα οπτικού κυματοδηγού
Οι διηλεκτρικοί κυματοδηγοί πλακών, γνωστοί και ως επίπεδοι κυματοδηγοί, είναι ίσως το πιο βασικό είδος οπτικών κυματοδηγών.
Τα διατεταγμένα πλέγματα κυματοδηγών, τα ακουστικά οπτικά φίλτρα και οι διαμορφωτές είναι μερικές μόνο συσκευές στο τσιπ που μπορούν να χρησιμοποιήσουν κυματοδηγούς πλάκας λόγω της απλότητάς τους.
Οι κυματοδηγοί πλακών χρησιμοποιούνται επίσης συχνά ως μοντέλα παιχνιδιών.
Τρία στρώματα υλικών, το καθένα από τα οποία έχει μια ξεχωριστή διηλεκτρική σταθερά, συνδυάζονται για να σχηματίσουν τον κυματοδηγό πλάκας, ο οποίος μπορεί να εκτείνεται επ 'αόριστον σε κατευθύνσεις παράλληλες προς τις διεπαφές μεταξύ τους.
Εάν το κεντρικό στρώμα έχει υψηλότερο δείκτη διάθλασης από τα εξωτερικά στρώματα, το φως περιέχεται στο μεσαίο στρώμα μέσω της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης.
Μερικά παραδείγματα του δισδιάστατου κυματοδηγού
Strip κυματοδηγός
Βασικά, μια λωρίδα του στρώματος που συμπιέζεται μεταξύ των στρωμάτων επένδυσης είναι αυτό που συνθέτει έναν κυματοδηγό ταινίας.
Το στρώμα καθοδήγησης του κυματοδηγού πλάκας περιορίζεται και στις δύο εγκάρσιες κατευθύνσεις και όχι απλώς στη μία, με αποτέλεσμα το απλούστερο παράδειγμα ενός ορθογώνιου κυματοδηγού. Τόσο τα ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα όσο και οι δίοδοι λέιζερ χρησιμοποιούν ορθογώνιους κυματοδηγούς.
Συχνά χρησιμεύουν ως βάση για οπτικά μέρη όπως παρεμβολόμετρα Mach-Zehnder και πολυπλέκτες διαίρεσης μήκους κύματος. Πολλές φορές, χρησιμοποιούνται ορθογώνιοι οπτικοί κυματοδηγοί για την κατασκευή των κοιλοτήτων των διόδων λέιζερ.
Μια επίπεδη τεχνική χρησιμοποιείται συνήθως για τη δημιουργία οπτικών κυματοδηγών με ορθογώνιο σχήμα.
Κυματοδηγός νευρώσεων
Σε έναν κυματοδηγό νευρώσεων, το στρώμα οδήγησης είναι ουσιαστικά μια πλάκα με μια λωρίδα (ή πολλαπλές λωρίδες) που επικαλύπτονται από πάνω της.
Σε πολυστρωματικές δομές νευρώσεων, είναι δυνατός περιορισμός σχεδόν ενότητας, καθώς και περιορισμός του κύματος σε δύο διαστάσεις σε κυματοδηγούς νευρώσεων.
Κυματοδηγός φωτονικού κρυστάλλου και τμηματοποιημένος κυματοδηγός
Κατά μήκος της διαδρομής διάδοσής τους, οι οπτικοί κυματοδηγοί διατηρούν κανονικά μια σταθερή διατομή. Αυτή είναι η κατάσταση, για παράδειγμα, με τους κυματοδηγούς λωρίδων και νευρώσεων.
Χρησιμοποιώντας τις λεγόμενες λειτουργίες Bloch, οι κυματοδηγοί μπορούν επίσης να έχουν περιοδικές διακυμάνσεις στη διατομή τους και ωστόσο να μεταδίδουν φως χωρίς καμία απώλεια.
Αυτοί οι κυματοδηγοί ταξινομούνται ως κυματοδηγοί φωτονικών κρυστάλλων (με 2D ή 3D μοτίβο) ή τμηματοποιημένοι κυματοδηγοί (με μοτίβο 1D κατά μήκος της κατεύθυνσης διάδοσης).
Κυματοδηγός εγγεγραμμένος με λέιζερ
Η βιομηχανία φωτονικής είναι όπου οι οπτικοί κυματοδηγοί είναι πιο χρήσιμοι. Η ενσωμάτωση μεταξύ ηλεκτρικών τσιπ και οπτικών ινών καθίσταται δυνατή με την εγκατάσταση των κυματοδηγών σε τρισδιάστατο χώρο.
Ένας μόνο τρόπος υπέρυθρου φωτός σε μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών μπορεί να διαδοθεί χρησιμοποιώντας τέτοιους κυματοδηγούς, οι οποίοι είναι επίσης ρυθμισμένοι να μεταφέρουν οπτικά σήματα μεταξύ των θέσεων εισόδου και εξόδου με εξαιρετικά μικρές απώλειες.
Χρήσεις οπτικού κυματοδηγού
Στα συστήματα επικοινωνιών μικροκυμάτων, εκπομπής και ραντάρ, ένας κυματοδηγός είναι μια ηλεκτρομαγνητική γραμμή τροφοδοσίας. Ένας κυματοδηγός είναι κατασκευασμένος από μεταλλικό σωλήνα ή σωλήνα που είναι ορθογώνιος ή κυλινδρικός.
Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εξαπλώνεται κατά μήκος. Οι κεραίες κόρνας και πιάτων είναι οι πιο τυπικές εφαρμογές κυματοδηγών.
Οπτική ίνα—είναι κυματοδηγός;
Η συνολική εσωτερική ανάκλαση, η οποία διέπει τον τρόπο λειτουργίας της οπτικής ίνας, μπορεί να θεωρηθεί ως ένας κυματοδηγός φωτός.
Εάν η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία, λαμβάνει χώρα ολική εσωτερική ανάκλαση όταν ένα κύμα διάδοσης συναντά το όριο μεταξύ δύο διαφορετικών υλικών.
Συμπέρασμα
Συμπερασματικά, ένας οπτικός κυματοδηγός είναι μια δομή που «οδηγεί» ένα φωτεινό κύμα εμποδίζοντάς το να ταξιδέψει σε διαφορετική κατεύθυνση από αυτή που επιθυμούμε. Στην ιατρική βιομηχανία, οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται συχνά τόσο για διάγνωση όσο και για θεραπεία.
Εύκαμπτοι κλώνοι από οπτικές ίνες μπορούν να τοποθετηθούν στους πνεύμονες, στις αρτηρίες του αίματος και σε άλλα όργανα. Ένας μακρύς σωλήνας φιλοξενεί δύο δέσμες οπτικών ινών μέσα σε ένα ενδοσκόπιο, μια ιατρική συσκευή.
Μια λεπτομερής εικόνα δημιουργείται κατευθύνοντας το φως προς τον υπό δοκιμή ιστό σε μια δέσμη ενώ λαμβάνεται φως που ανακλάται από αυτόν στην άλλη δέσμη. Τα ενδοσκόπια μπορούν να γίνουν για να εξετάσουν ορισμένα μέρη του σώματος ή αρθρώσεις, όπως τα γόνατα.
Αφήστε μια απάντηση