Sisukord[Peida][Näita]
Füüsilist objekti, mis suunab elektromagnetlaineid optilises spektris, nimetatakse optiliseks lainejuhiks.
Läbipaistvad dielektrilised lainejuhid, mis koosnevad plastikust ja klaasist, samuti optilisest kiust, on optiliste lainejuhtide tüüpilised vormid.
Ruumivahemik, milles valgus võib levida, on piiratud optilise lainejuhiga, mis on ruumiliselt ebahomogeenne valguse suunamise seade.
Tavaliselt on lainejuhil osa, mille murdumisnäitaja on ümbritsevast keskkonnast kõrgem (nn kattekiht).
Selles artiklis uurime optilise lainejuhi põhimõtteid, mõningaid näiteid ja palju muud.
Optilise lainejuhi tutvustus
Fotooniliste seadmete põhilised ehitusplokid on optilised lainejuhid, mis suunavad, ühendavad, lülitavad, jagavad, multipleksivad ja demultipleks-optilisi signaale.
Tasapinnalise tehnoloogia abil, mis on sarnane mikroelektroonikale, saab passiivseid lainejuhte, elektrooptilisi komponente, saatjaid, vastuvõtjaid ja juhtimiselektroonikat ühendada ühele kiibile.
Lainejuhtseadmete jõudlus sõltub paljudest teguritest, sealhulgas geomeetriast, lainepikkusest, väljade algsest jaotusest, materjali teabest ja elektrooptilistest sõidutingimustest, hoolimata asjaolust, et nende toimimist on põhjalikult uuritud ja mõistetud.
Enne vidina tegemist tuleb teatud parameetrid häälestada. Kuna kiibi loomiseks on vaja nii palju ressursse, on täpne modelleerimine suuremahuliste optoelektrooniliste ahelate jaoks hädavajalik.
Lainejuhi režiimid, režiimide sidumine, kadu ja võimendus, samuti valgussignaalide edastamine on kõik simuleeritud optilise lainejuhi disainis.
Lainejuhtseadet kirjeldatakse sisestusandmete ühes osas selle geomeetria, tootmistegurite ja materjalikonstantide järgi.
Lainejuhi andmed tuleks ideaaljuhul sisestada projekti paigutusega koos tarkvaraga, mis suudab hallata ka tootmisparameetreid.
Arvarvutuste seadistamiseks sisaldab andmete sisestamine ka teist komponenti. Täiuslikus maailmas peidavad sisendsüsteemid arvulise arvutuse spetsiifikat või piiravad seda.
Kuid kuna lainejuhi modelleerimine kasutab sageli keerulisi numbrilisi protseduure, peate olema kursis mõnede aluseks olevate numbrite elementidega.
Fotoonilised ahelad on konstrueeritud lainejuhtide abil. Lainejuhi keskpunkti kulgeva marsruudiga risti on lainejuhi laiuse määratlus, olenemata sellest, kas see on fikseeritud või muutuv.
Optilise lainejuhi põhiprintsiip
Nagu pildil näidatud, saab optiliste lainejuhtide aluseks olevate põhiideede edastamiseks kasutada geomeetrilisi või kiiroptika kontseptsioone.
Murdumine on protsess, mille käigus valgus, mis siseneb kõrgema murdumisnäitajaga materjali, paindub normaalse poole.
Mõelge juhtumile, kui valgus siseneb õhust klaasi. Sarnaselt sellele, kuidas valgus liigub teistpidi, klaasist õhku, järgib sama marsruuti ja kaldub tavapärasest kõrvale. Aja ümberpööramise sümmeetria tõttu on see tulemuseks. Iga õhu kiir on võimalik kaardistada klaasis olevaks kiireks.
Üks-ühele suhe on olemas. Kuid osa klaasi valguskiiri jääb murdumise tõttu vahele. Töötav mehhanism on täielik sisepeegeldus, mis püüab klaasi ülejäänud valguse kinni.
Kriitilise nurga all oleva nurga all langevad need klaas-õhk kontaktile. Greeni funktsioonil põhinevates keerukamates koostistes on need täiendavad kiired korrelatsioonis olekute suurema tihedusega.
Dielektrilises lainejuhis saame valgust koguda ja suunata, kasutades täielikku sisemist peegeldust. Punased valguskiired peegelduvad kõrge indeksiga kandja ülemiselt ja alumiselt pinnalt.
Kuni plaat paindub järk-järgult, saab seda suunata isegi siis, kui see kõverdub või paindub. Valgus juhitakse mööda kõrge indeksiga klaassüdamikku madalama indeksiga klaaskattes vastavalt sellele fiiberoptika põhiprintsiibile.
Lainejuhi tööd kujutab kiiroptika vaid ligikaudselt. Dielektrilise lainejuhi täisvälja kirjelduse jaoks saab Maxwelli võrrandeid lahendada analüütiliselt või numbriliselt.
Optilise lainejuhi näide
Dielektrilised plaatlainejuhid, tuntud ka kui tasapinnalised lainejuhid, on võib-olla kõige elementaarsemad optilised lainejuhid.
Masseeritud lainejuhivõred, akusto-optilised filtrid ja modulaatorid on vaid mõned kiibil olevad seadmed, mis võivad nende lihtsuse tõttu kasutada plaatlainejuhte.
Plaatlainejuhte kasutatakse sageli ka mänguasjamudelitena.
Kolm materjalikihti, millest igaühel on eraldiseisev dielektriline konstant, on ühendatud, et moodustada plaadi lainejuht, mis võib ulatuda lõputult nendevaheliste liidestega paralleelsetes suundades.
Kui keskkihi murdumisnäitaja on kõrgem kui välimistel kihtidel, sisaldub valgus keskmises kihis täieliku sisemise peegelduse kaudu.
Mõned näited kahemõõtmelisest lainejuhist
Riba lainejuht
Põhimõtteliselt moodustab riba lainejuhi kihi riba, mis on pressitud kattekihtide vahele.
Plaatlainejuhi juhtkiht on piiratud mõlemas põikisuunas, mitte ainult ühes suunas, mille tulemuseks on ristkülikukujulise lainejuhi lihtsaim näide. Nii integreeritud optilised ahelad kui ka laserdioodid kasutavad ristkülikukujulisi lainejuhte.
Need on sageli optiliste osade, näiteks Mach-Zehnderi interferomeetrite ja lainepikkusjaotusega multiplekserite alus. Mitu korda kasutatakse laserdioodide õõnsuste ehitamiseks ristkülikukujulisi optilisi lainejuhte.
Tasapinnalist tehnikat kasutatakse tavaliselt ristkülikukujuliste optiliste lainejuhtide loomiseks.
Ribi lainejuht
Ribilainejuhis on juhtkiht sisuliselt plaat, mille peale on kaetud riba (või mitu riba).
Mitmekihiliste ribistruktuuride puhul on võimalik ühtsuslähedane piiramine, aga ka laine kahemõõtmeline piiramine ribi lainejuhtides.
Fotoonkristallide lainejuht ja segmenteeritud lainejuht
Optilised lainejuhid hoiavad oma levimisrajal tavaliselt konstantset ristlõiget. Selline olukord on näiteks riba- ja ribilainejuhtide puhul.
Kasutades niinimetatud Blochi režiime, võivad lainejuhid oma ristlõikes perioodiliselt varieeruda ja edastada valgust ilma kadudeta.
Need lainejuhid liigitatakse fotooniliste kristallide lainejuhtideks (2D- või 3D-mustriga) või segmenteeritud lainejuhtideks (ühemõõtmeline muster levimissuunas).
Laseriga kantud lainejuht
Fotoonikatööstus on koht, kus optilised lainejuhid on kõige kasulikumad. Elektrikiipide ja optiliste kiudude integreerimine on võimalik tänu lainejuhtide seadistamisele 3D-ruumis.
Telekommunikatsiooni lainepikkustel saab levitada ühte infrapunavalguse režiimi, kasutades selliseid lainejuhte, mis on samuti seadistatud kandma optilisi signaale sisend- ja väljundsaitide vahel üliväikse kaoga.
Optiliste lainejuhtide kasutamine
Mikrolaineside-, ringhäälingu- ja radarisüsteemides on lainejuht elektromagnetiline toiteliin. Lainejuht on valmistatud metalltorust või torust, mis on ristkülikukujuline või silindriline.
Elektromagnetväli levib pikisuunas. Sarv- ja taldrikuantennid on kõige tüüpilisemad lainejuhirakendused.
Optiline kiud - kas see on lainejuht?
Täielikku sisemist peegeldust, mis reguleerib optilise kiu toimimist, võib pidada valguse lainejuhiks.
Kui langemisnurk on suurem kui kriitiline nurk, tekib täielik sisepeegeldus, kui leviv laine puutub kokku kahe erineva materjali vahelise piiriga.
Järeldus
Kokkuvõtteks võib öelda, et optiline lainejuht on struktuur, mis "juhib" valguslainet, takistades selle liikumist soovitud suunas. Meditsiinitööstuses kasutatakse optilisi kiude sageli nii diagnoosimiseks kui ka raviks.
Optilistest kiududest valmistatud painduvaid kiude saab asetada kopsudesse, verearteritesse ja muudesse organitesse. Ühes pikas torus on endoskoobi, meditsiiniseadme sees kaks optiliste kiudude kimpu.
Üksikasjalik pilt luuakse valguse suunamisel ühes kimbus oleva testitava koe poole, samal ajal kui teises kimbus võetakse vastu sellelt peegelduvat valgust. Endoskoope saab teha teatud kehaosade või liigeste, näiteks põlvede uurimiseks.
Jäta vastus