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Un objeto físico que dirige ondas electromagnéticas en el espectro óptico se denomina guía de ondas ópticas.
Las guías de ondas dieléctricas transparentes compuestas de plástico y vidrio, así como la fibra óptica, son formas típicas de guías de ondas ópticas.
El rango espacial en el que la luz puede propagarse está limitado por una guía de ondas ópticas, que es un dispositivo espacialmente no homogéneo para dirigir la luz.
Por lo general, una guía de ondas tiene una sección donde el índice de refracción es más alto que el medio circundante (llamado revestimiento).
En este artículo, examinaremos los principios de la guía de ondas ópticas, algunos ejemplos y mucho más.
Introducción a la guía de ondas ópticas
Los bloques de construcción fundamentales de los dispositivos fotónicos son las guías de ondas ópticas, que dirigen, acoplan, conmutan, dividen, multiplexan y demultiplexan señales ópticas.
Usando tecnología plana, que es similar a la microelectrónica, las guías de ondas pasivas, los componentes electroópticos, los transmisores, los receptores y la electrónica de conducción se pueden combinar en un solo chip.
El rendimiento de los dispositivos de guía de ondas depende de una variedad de factores, incluida la geometría, la longitud de onda, la distribución del campo inicial, la información del material y las condiciones de conducción electroóptica, a pesar de que su funcionamiento se ha estudiado y entendido ampliamente.
Antes de hacer un gadget, se deben ajustar ciertos parámetros. Debido a que se necesitan tantos recursos para crear un chip, el modelado preciso es esencial para los circuitos optoelectrónicos a gran escala.
Los modos de guía de onda, el acoplamiento de modo, la pérdida y la ganancia, así como la transmisión de señales de luz, se simulan en el diseño de guía de onda óptica.
El dispositivo de guía de ondas se describe en una sección de los datos de entrada por su geometría, factores de fabricación y constantes de material.
Lo ideal es que los datos de la guía de ondas se ingresen mediante un diseño de proyecto con un software que también pueda administrar los parámetros de fabricación.
Para establecer cálculos numéricos, el ingreso de datos también incluye otro componente. En un mundo perfecto, los sistemas de entrada ocultarían o restringirían los detalles del cálculo numérico.
Pero dado que el modelado de guía de ondas utiliza con frecuencia procedimientos numéricos complejos, debe estar familiarizado con algunos elementos de los valores numéricos subyacentes.
Los circuitos fotónicos se construyen utilizando guías de ondas. Perpendicular a la ruta a lo largo del centro de la guía de ondas está la definición del ancho de una guía de ondas, ya sea fijo o variable.
Principio básico de la guía de onda óptica
Como se muestra en la imagen, los conceptos geométricos o de óptica de rayos se pueden utilizar para transmitir las ideas fundamentales que sustentan las guías de ondas ópticas.
La refracción es el proceso por el cual la luz que ingresa a un material que tiene un índice de refracción más alto se desvía hacia la normal.
Considere el caso de la luz que ingresa al vidrio desde el aire. Similar a como la luz moviéndose hacia el otro lado, del vidrio al aire, sigue la misma ruta y se desvía de lo habitual. Debido a la simetría de inversión de tiempo, esto resulta. Es posible mapear cada rayo en el aire a un rayo en el vidrio.
Existe una relación de uno a uno. Pero algunos de los rayos de luz en el vidrio se pierden debido a la refracción. La reflexión interna total, que atrapa la luz restante en el vidrio, es el mecanismo en funcionamiento.
Formando un ángulo superior al crítico, inciden sobre el contacto vidrio-aire. En formulaciones más sofisticadas basadas en la función de Green, estos rayos adicionales se correlacionan con una mayor densidad de estados.
En una guía de ondas dieléctrica, podemos capturar y dirigir la luz utilizando la reflexión interna total. Los rayos de luz roja se reflejan en las superficies superior e inferior del medio de alto índice.
Siempre que la losa se doble gradualmente, se puede dirigir incluso cuando se curva o se dobla. La luz se guía a lo largo de un núcleo de vidrio de alto índice en un revestimiento de vidrio de índice más bajo de acuerdo con este principio fundamental en fibra óptica.
La operación de la guía de ondas solo se representa aproximadamente mediante la óptica de rayos. Para una descripción de campo completo de una guía de ondas dieléctrica, las ecuaciones de Maxwell se pueden resolver de forma analítica o numérica.
Ejemplo de guía de onda óptica
Las guías de ondas de losa dieléctrica, también conocidas como guías de ondas planas, son quizás el tipo más básico de guías de ondas ópticas.
Las rejillas de guía de ondas en matriz, los filtros acústico-ópticos y los moduladores son solo algunos dispositivos en chip que pueden usar guías de ondas de losa debido a su simplicidad.
Las guías de ondas de losa también se utilizan con frecuencia como modelos de juguete.
Tres capas de materiales, cada una con una constante dieléctrica distinta, se combinan para formar la guía de onda de losa, que puede extenderse indefinidamente en direcciones paralelas a las interfaces entre ellas.
Si la capa central tiene un índice de refracción más alto que las capas exteriores, la luz está contenida en la capa intermedia a través de la reflexión interna total.
Algunos ejemplos de la guía de ondas bidimensional
Tira de guía de ondas
Básicamente, una tira de la capa que se aprieta entre las capas de revestimiento es lo que forma una guía de ondas de tira.
La capa de guía de la guía de ondas de losa está restringida en ambas direcciones transversales en lugar de simplemente en una, lo que da como resultado el ejemplo más simple de una guía de ondas rectangular. Tanto los circuitos ópticos integrados como los diodos láser emplean guías de ondas rectangulares.
Con frecuencia sirven como base para piezas ópticas como los interferómetros Mach-Zehnder y los multiplexores por división de longitud de onda. Muchas veces, las guías de ondas ópticas rectangulares se utilizan para construir las cavidades de los diodos láser.
Normalmente se utiliza una técnica plana para crear guías de ondas ópticas con forma rectangular.
guía de ondas de costilla
En una guía de ondas de costillas, la capa de guía es esencialmente una losa con una tira (o varias tiras) superpuestas encima.
En estructuras de nervaduras multicapa, es posible un confinamiento cercano a la unidad, así como el confinamiento de la onda en dos dimensiones en guías de ondas de nervadura.
Guía de onda de cristal fotónico y guía de onda segmentada
A lo largo de su ruta de propagación, las guías de ondas ópticas normalmente mantienen una sección transversal constante. Esta es la situación, por ejemplo, con guías de ondas de tira y costilla.
Mediante el uso de los llamados modos de Bloch, las guías de ondas también pueden tener variaciones periódicas en su sección transversal y, sin embargo, transmitir luz sin pérdida alguna.
Estas guías de onda se clasifican como guías de onda de cristal fotónico (con un patrón 2D o 3D) o guías de onda segmentadas (con un patrón 1D a lo largo de la dirección de propagación).
Guía de ondas grabada con láser
La industria de la fotónica es donde las guías de ondas ópticas son más útiles. La integración entre chips eléctricos y fibras ópticas es posible al configurar las guías de ondas en el espacio 3D.
Se puede propagar un modo único de luz infrarroja en longitudes de onda de telecomunicaciones utilizando tales guías de ondas, que también están configuradas para transportar señales ópticas entre los sitios de entrada y salida con una pérdida extremadamente pequeña.
Usos de la guía de ondas ópticas
En los sistemas de radar, radiodifusión y comunicaciones por microondas, una guía de ondas es una línea de alimentación electromagnética. Una guía de ondas está hecha de un tubo o tubería de metal que es rectangular o cilíndrico.
El campo electromagnético se propaga longitudinalmente. Las antenas de bocina y plato son las aplicaciones de guía de ondas más típicas.
Fibra óptica: ¿es una guía de ondas?
La reflexión interna total, que rige el funcionamiento de la fibra óptica, se puede considerar como una guía de ondas de luz.
Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico, la reflexión interna total ocurre cuando una onda que se propaga encuentra el borde entre dos materiales diferentes.
Conclusión
En conclusión, una guía de ondas ópticas es una estructura que “guía” una onda de luz evitando que viaje en una dirección diferente a la deseada. En la industria médica, las fibras ópticas se utilizan con frecuencia tanto para el diagnóstico como para la terapia.
Se pueden colocar hebras flexibles hechas de fibras ópticas en los pulmones, las arterias sanguíneas y otros órganos. Un tubo largo alberga dos haces de fibras ópticas dentro de un endoscopio, un dispositivo médico.
Se crea una imagen detallada dirigiendo la luz hacia el tejido bajo prueba en un paquete mientras se recibe la luz reflejada en el otro paquete. Se pueden fabricar endoscopios para examinar ciertas partes del cuerpo o articulaciones, como las rodillas.
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