یک جسم فیزیکی که امواج الکترومغناطیسی را در طیف نوری هدایت می کند، موجبر نوری نامیده می شود.
موجبرهای دی الکتریک شفاف متشکل از پلاستیک و شیشه، و همچنین فیبر نوری، اشکال معمولی موجبرهای نوری هستند.
محدوده فضایی که نور می تواند در آن منتشر شود توسط یک موجبر نوری محدود می شود که یک وسیله ناهمگن فضایی برای هدایت نور است.
به طور معمول، یک موجبر دارای بخشی است که در آن ضریب شکست بالاتر از محیط اطراف است (به نام روکش).
در این مقاله به بررسی اصول موجبر نوری، چند مثال و موارد دیگر می پردازیم.
مقدمه ای بر موجبر نوری
بلوکهای ساختمانی اساسی دستگاههای فوتونیک، موجبرهای نوری هستند که سیگنالهای نوری را هدایت، جفت، سوئیچ، تقسیم، مولتی پلکس و دمولتیپلکس میکنند.
با استفاده از فناوری مسطح که مشابه میکروالکترونیک است، موجبرهای غیرفعال، اجزای الکترواپتیک، فرستندهها، گیرندهها و وسایل الکترونیکی رانندگی همگی میتوانند روی یک تراشه واحد ترکیب شوند.
عملکرد دستگاه های موجبر به عوامل مختلفی از جمله هندسه، طول موج، توزیع میدان اولیه، اطلاعات مواد و شرایط رانندگی الکترواپتیک بستگی دارد، علیرغم اینکه عملکرد آنها به طور گسترده مورد مطالعه و درک قرار گرفته است.
قبل از ساخت یک ابزار، پارامترهای خاصی باید تنظیم شوند. از آنجایی که برای ایجاد یک تراشه به منابع زیادی نیاز است، مدل سازی دقیق برای مدارهای اپتوالکترونیکی در مقیاس بزرگ ضروری است.
حالت های موجبر، کوپلینگ حالت، تلفات و افزایش، و همچنین انتقال سیگنال های نور، همگی در طراحی موجبر نوری شبیه سازی شده اند.
دستگاه موجبر در یک بخش از داده های ورودی با هندسه، فاکتورهای ساخت و ثابت های ماده توضیح داده شده است.
دادههای موجبر در حالت ایدهآل باید با استفاده از طرحبندی پروژه با نرمافزاری که میتواند پارامترهای تولید را نیز مدیریت کند، وارد شود.
برای تنظیم محاسبات عددی، وارد کردن داده ها شامل مولفه دیگری نیز می شود. در یک دنیای کامل، سیستم های ورودی ویژگی های محاسبات عددی را پنهان یا محدود می کنند.
اما از آنجایی که مدل سازی موجبر اغلب از رویه های عددی پیچیده استفاده می کند، باید با برخی از عناصر اعداد زیربنایی آشنا باشید.
مدارهای فوتونیک با استفاده از موجبرها ساخته می شوند. عمود بر مسیر در امتداد مرکز موجبر، تعریف عرض یک موجبر، چه ثابت و چه در حال تغییر است.
اصول اولیه موجبر نوری
همانطور که در تصویر نشان داده شده است، مفاهیم اپتیک هندسی یا اشعه ای را می توان برای انتقال ایده های اساسی زیربنای موجبرهای نوری استفاده کرد.
انکسار فرآیندی است که طی آن نور وارد شده به ماده ای با ضریب شکست بالاتر به سمت حالت عادی خم می شود.
موردی را در نظر بگیرید که نور از هوا وارد شیشه می شود. مانند حرکت نور به سمت دیگر، از شیشه به هوا، همان مسیر را دنبال می کند و از حالت معمول منحرف می شود. به دلیل تقارن زمان معکوس، این نتیجه می شود. می توان هر پرتوی موجود در هوا را به پرتوی در شیشه نگاشت کرد.
یک رابطه یک به یک وجود دارد. اما برخی از پرتوهای نور در شیشه به دلیل شکست از بین می روند. بازتاب داخلی کامل، که نور باقیمانده در شیشه را به دام می اندازد، مکانیسمی است که در کار است.
در یک زاویه بیش از زاویه بحرانی، آنها بر روی تماس شیشه و هوا برخورد می کنند. در فرمولبندیهای پیچیدهتر که بر اساس عملکرد گرین ساخته شدهاند، این پرتوهای اضافی با چگالی بیشتر حالتها مرتبط هستند.
در یک موجبر دی الکتریک، ما می توانیم نور را با استفاده از بازتاب داخلی کل جذب و هدایت کنیم. پرتوهای نور قرمز از سطوح بالا و پایین محیط با شاخص بالا منعکس می شود.
تا زمانی که دال به تدریج خم می شود، می توان آن را حتی زمانی که منحنی یا خم می کند هدایت کرد. نور در امتداد یک هسته شیشه ای با شاخص بالا در روکش شیشه ای با شاخص پایین مطابق این اصل اساسی در فیبر نوری هدایت می شود.
عملکرد موجبر تنها به طور تقریبی توسط اپتیک اشعه به تصویر کشیده می شود. برای توصیف میدان کامل یک موجبر دی الکتریک، معادلات ماکسول را می توان به صورت تحلیلی یا عددی حل کرد.
نمونه ای از موجبر نوری
موجبرهای دال دی الکتریک که به عنوان موجبرهای مسطح نیز شناخته می شوند، شاید ابتدایی ترین نوع موجبرهای نوری باشند.
توری های موجبر آرایه شده، فیلترهای آکوستواپتیک و مدولاتورها تنها چند دستگاه روی تراشه هستند که به دلیل سادگی می توانند از موجبرهای دال استفاده کنند.
موجبرهای دال نیز اغلب به عنوان مدل اسباب بازی استفاده می شود.
سه لایه از مواد، که هر یک دارای یک ثابت دی الکتریک متمایز هستند، ترکیب می شوند تا موجبر دال را تشکیل دهند، که می تواند به طور نامحدود در جهت های موازی با رابط های بین آنها گسترش یابد.
اگر لایه مرکزی دارای ضریب شکست بالاتری نسبت به لایههای بیرونی باشد، نور از طریق بازتاب داخلی کل در لایه میانی قرار میگیرد.
چند نمونه از موجبر 2 بعدی
موجبر نواری
اساساً، نواری از لایه که در بین لایههای روکش فشرده فشرده میشود، همان چیزی است که موجبر نواری را میسازد.
لایه هدایت کننده موجبر دال در هر دو جهت عرضی محدود می شود تا صرفاً یکی، که در نتیجه ساده ترین مثال از یک موجبر مستطیلی شکل است. هم مدارهای نوری یکپارچه و هم دیودهای لیزری از موجبرهای مستطیلی شکل استفاده می کنند.
آنها اغلب به عنوان پایه ای برای قطعات نوری مانند تداخل سنج های ماخ زندر و مالتی پلکسرهای تقسیم طول موج عمل می کنند. در بسیاری از مواقع از موجبرهای نوری مستطیلی برای ساختن حفره های دیودهای لیزری استفاده می شود.
یک تکنیک مسطح معمولاً برای ایجاد موجبرهای نوری با شکل مستطیلی استفاده می شود.
موجبر دنده ای
در یک موجبر دنده ای، لایه هدایت کننده اساساً یک دال است که یک نوار (یا چندین نوار) روی آن پوشانده شده است.
در سازه های دنده ای چندلایه، محصور شدن نزدیک به واحد و همچنین محصور شدن موج به صورت دو بعدی در موجبرهای دنده ای امکان پذیر است.
موجبر کریستال فوتونیک و موجبر قطعه بندی شده
در طول مسیر انتشار، موجبرهای نوری معمولاً سطح مقطع ثابتی را حفظ می کنند. این وضعیت، برای مثال، در مورد موجبرهای نواری و دنده ای است.
با استفاده از حالتهای به اصطلاح بلوخ، موجبرها همچنین میتوانند تغییرات دورهای در مقطع خود داشته باشند و در عین حال نور را بدون هیچ تلفاتی منتقل کنند.
این موجبرها به عنوان موجبرهای کریستال فوتونیک (با الگوی دو بعدی یا سه بعدی) یا موجبرهای قطعه بندی شده (با الگوبرداری 2 بعدی در امتداد جهت انتشار) طبقه بندی می شوند.
موجبر محاط لیزری
صنعت فوتونیک جایی است که موجبرهای نوری بیشترین کاربرد را دارند. ادغام بین تراشه های الکتریکی و فیبرهای نوری با راه اندازی موجبرها در فضای سه بعدی امکان پذیر می شود.
یک حالت نور مادون قرمز در طول موج های مخابراتی را می توان با استفاده از چنین موجبرهایی منتشر کرد، که همچنین برای انتقال سیگنال های نوری بین سایت های ورودی و خروجی با تلفات بسیار کم تنظیم شده اند.
استفاده از موجبر نوری
در ارتباطات مایکروویو، پخش و سیستم های رادار، یک موجبر یک خط تغذیه الکترومغناطیسی است. موجبر از یک لوله یا لوله فلزی مستطیلی یا استوانه ای ساخته شده است.
میدان الکترومغناطیسی به صورت طولی گسترش می یابد. آنتن های شاخ و بشقاب معمولی ترین کاربردهای موجبر هستند.
فیبر نوری - آیا این یک موجبر است؟
بازتاب داخلی کامل، که بر نحوه عملکرد فیبر نوری حاکم است، می تواند به عنوان یک موجبر نور در نظر گرفته شود.
اگر زاویه تابش بزرگتر از زاویه بحرانی باشد، بازتاب داخلی کل زمانی رخ می دهد که یک موج در حال انتشار با مرز بین دو ماده مختلف برخورد کند.
نتیجه
در نتیجه، موجبر نوری ساختاری است که موج نور را با جلوگیری از حرکت آن در جهتی متفاوت از مسیر مورد نظر هدایت می کند. در صنعت پزشکی، فیبرهای نوری اغلب برای تشخیص و درمان استفاده می شود.
رشته های انعطاف پذیر ساخته شده از فیبرهای نوری را می توان در ریه ها، شریان های خونی و سایر اندام ها قرار داد. یک لوله بلند دو دسته از فیبرهای نوری را در داخل یک آندوسکوپ، یک دستگاه پزشکی قرار می دهد.
یک تصویر دقیق با هدایت نور به سمت بافت مورد آزمایش در یک بسته در حالی که نور منعکس شده از آن در بسته دیگر دریافت می شود، ایجاد می شود. آندوسکوپها را میتوان برای بررسی برخی از قسمتها یا مفاصل بدن مانند زانوها ساخت.
پاسخ دهید