Sisällysluettelo[Piilottaa][Näytä]
Fyysistä esinettä, joka ohjaa sähkömagneettisia aaltoja optisessa spektrissä, kutsutaan optiseksi aaltoputkeksi.
Läpinäkyvät dielektriset aaltoputket, jotka koostuvat muovista ja lasista sekä optisesta kuidusta, ovat tyypillisiä optisten aaltoputkien muotoja.
Avaruusaluetta, jolla valo voi edetä, rajoittaa optinen aaltoputki, joka on spatiaalisesti epähomogeeninen laite valon suuntaamiseksi.
Tyypillisesti aaltoputkessa on osa, jossa taitekerroin on korkeampi kuin ympäröivän väliaineen (kutsutaan verhoiluksi).
Tässä artikkelissa tarkastelemme optisen aaltoputken periaatteita, esimerkkejä ja paljon muuta.
Johdatus optiseen aaltoputkeen
Fotonisten laitteiden perusrakennuspalikoita ovat optiset aaltoputket, jotka ohjaavat, yhdistävät, kytkevät, jakavat, multipleksoivat ja demultipleksoivat optisia signaaleja.
Mikroelektroniikkaa muistuttavaa tasotekniikkaa käyttämällä passiiviset aaltoputket, sähköoptiset komponentit, lähettimet, vastaanottimet ja ohjauselektroniikka voidaan yhdistää yhdeksi siruksi.
Aaltoputkilaitteiden suorituskyky riippuu useista tekijöistä, kuten geometriasta, aallonpituudesta, kentän alkujakaumasta, materiaalitiedoista ja sähköoptisista ajo-olosuhteista huolimatta siitä, että niiden toimintaa on tutkittu ja ymmärretty laajasti.
Ennen gadgetin tekemistä tiettyjä parametreja on säädettävä. Koska sirun luomiseen tarvitaan niin paljon resursseja, tarkka mallintaminen on välttämätöntä laajamittaisille optoelektronisille piireille.
Aaltoputkimoodit, moodikytkentä, häviö ja vahvistus sekä valosignaalien lähetys simuloidaan kaikki optisen aaltoputken suunnittelussa.
Aaltoputkilaitetta kuvataan yhdessä syöttötiedon osiossa sen geometrian, valmistustekijöiden ja materiaalivakioiden avulla.
Aaltoputken tiedot tulisi ihanteellisesti syöttää käyttämällä projektin asettelua ohjelmistolla, joka pystyy myös hallitsemaan valmistusparametreja.
Numeeristen laskelmien asettamista varten tietojen syöttäminen sisältää myös toisen komponentin. Täydellisessä maailmassa syöttöjärjestelmät piilottaisivat tai rajoittaisivat numeerisen laskennan erityispiirteitä.
Mutta koska aaltoputkimallinnus käyttää usein monimutkaisia numeerisia toimenpiteitä, sinun on tunnettava joitakin taustalla olevan numeerisen elementtejä.
Fotonipiirit rakennetaan aaltoputkien avulla. Aaltoputken keskikohtaa pitkin reittiin nähden kohtisuorassa on aaltoputken leveyden määritelmä, joko kiinteä tai muuttuva.
Optisen aaltoputken perusperiaate
Kuten kuvasta näkyy, geometrisia tai sädeoptiikan käsitteitä voidaan käyttää optisten aaltoputkien taustalla olevien perusideoiden välittämiseen.
Taittuminen on prosessi, jossa valo, joka pääsee materiaaliin, jolla on korkeampi taitekerroin, taipuu kohti normaalia.
Harkitse tapausta, jossa valo pääsee lasiin ilmasta. Samoin kuin valo liikkuu toiseen suuntaan, lasista ilmaan, kulkee samaa reittiä ja poikkeaa tavallisesta. Ajan käänteisen symmetrian vuoksi tämä johtaa. Jokainen ilmassa oleva säde on mahdollista kartoittaa lasissa olevaan säteeseen.
Yksi-yhteen suhde on olemassa. Mutta osa lasin valonsäteistä puuttuu taittumisen vuoksi. Totaalinen sisäinen heijastus, joka vangitsee jäljellä olevan valon lasiin, on toimiva mekanismi.
Kriittisen kulman yläpuolella kulmassa ne osuvat lasi-ilmakoskettimeen. Kehittyneemmissä koostumuksissa, jotka perustuvat Greenin funktioon, nämä lisäsäteet korreloivat suuremman tilojen tiheyden kanssa.
Dielektrisessä aaltoputkessa voimme siepata ja suunnata valoa käyttämällä sisäistä kokonaisheijastusta. Punaiset valonsäteet heijastavat korkeaindeksiväliaineen ylä- ja alapinnalta.
Niin kauan kuin laatta taipuu asteittain, sitä voidaan suunnata myös kaartuessaan tai taipuessaan. Valo ohjataan korkean indeksin lasiydintä pitkin pienemmän indeksin lasiverhouksessa tämän kuituoptiikan perusperiaatteen mukaisesti.
Sädeoptiikka kuvaa aaltoputken toimintaa vain karkeasti. Dielektrisen aaltoputken koko kentän kuvaukselle Maxwellin yhtälöt voidaan ratkaista analyyttisesti tai numeerisesti.
Esimerkki optisesta aaltoputkesta
Dielektriset laatta-aaltoputket, jotka tunnetaan myös tasomaisina aaltojohtimina, ovat ehkä yksinkertaisin tyyppi optisista aaltoputkista.
Järjestellyt aaltoputkiritilät, akusto-optiset suodattimet ja modulaattorit ovat vain muutamia sirussa olevia laitteita, jotka voivat käyttää levyaaltoputkia niiden yksinkertaisuuden vuoksi.
Levyaaltoputkia käytetään usein myös lelumalleina.
Kolme materiaalikerrosta, joilla kullakin on erillinen dielektrisyysvakio, yhdistetään muodostamaan levyaaltoputken, joka voi ulottua loputtomasti suuntiin, jotka ovat samansuuntaisia niiden välisten rajapintojen kanssa.
Jos keskikerroksen taitekerroin on suurempi kuin ulkokerroksilla, valo sisältyy keskikerrokseen sisäisen kokonaisheijastuksen kautta.
Joitakin esimerkkejä 2-ulotteisesta aaltoputkesta
Nauha-aaltoputki
Pohjimmiltaan verhouskerrosten väliin puristettu kerroksen kaistale muodostaa nauha-aaltoputken.
Laatta-aaltoputken ohjauskerrosta on rajoitettu molemmissa poikittaissuunnissa mieluummin kuin vain yhdessä, mikä johtaa yksinkertaisin esimerkki suorakaiteen muotoisesta aaltoputkesta. Sekä integroidut optiset piirit että laserdiodit käyttävät suorakaiteen muotoisia aaltoputkia.
Ne toimivat usein perustana optisille osille, kuten Mach-Zehnder-interferometreille ja aallonpituusjakomultipleksereille. Monesti suorakaiteen muotoisia optisia aaltoputkia käytetään laserdiodien onteloiden rakentamiseen.
Tasomaista tekniikkaa käytetään tyypillisesti suorakaiteen muotoisten optisten aaltoputkien luomiseen.
Rib aaltoputki
Ripa-aaltoputkessa ohjauskerros on olennaisesti laatta, jonka päällä on nauha (tai useita liuskoja).
Monikerroksisissa riparakenteissa lähes yhtenäinen rajoitus on mahdollista sekä aallon rajoittaminen kahteen ulottuvuuteen ripa-aaltoputkissa.
Fotonikideaaltoputki ja segmentoitu aaltoputki
Optiset aaltoputket pitävät etenemispolullaan normaalisti vakion poikkileikkauksen. Tämä on tilanne esimerkiksi nauha- ja ripa-aaltoputkien kohdalla.
Käyttämällä niin kutsuttuja Bloch-tiloja, aaltoputkien poikkileikkaus voi vaihdella jaksoittain ja silti lähettää valoa ilman häviötä.
Nämä aaltoputket luokitellaan fotonikideaaltoputkiksi (joissa on 2D- tai 3D-kuvio) tai segmentoidut aaltoputket (1D-kuvio etenemissuunnassa).
Laserkirjoitettu aaltoputki
Fotoniikkateollisuudessa optiset aaltoputket ovat hyödyllisimpiä. Sähkösirujen ja optisten kuitujen yhdistäminen on mahdollista asettamalla aaltoputket 3D-avaruuteen.
Yksittäinen infrapunavalomuoto tietoliikenteen aallonpituuksilla voidaan levittää käyttämällä tällaisia aaltoputkia, jotka on myös asetettu kuljettamaan optisia signaaleja tulo- ja lähtökohtien välillä erittäin pienellä häviöllä.
Optisten aaltoputkien käyttö
Mikroaaltoviestinnässä, yleisradioissa ja tutkajärjestelmissä aaltoputki on sähkömagneettinen syöttöjohto. Aaltoputki on valmistettu metalliputkesta tai putkesta, joka on suorakaiteen tai sylinterin muotoinen.
Sähkömagneettinen kenttä leviää pituussuunnassa. Torvi- ja lautasantennit ovat tyypillisimpiä aaltoputkisovelluksia.
Optinen kuitu – onko se aaltoputki?
Kokonaista sisäistä heijastusta, joka ohjaa optisen kuidun toimintaa, voidaan pitää valon aaltoputkena.
Jos tulokulma on suurempi kuin kriittinen kulma, sisäinen kokonaisheijastus tapahtuu, kun etenevä aalto kohtaa kahden eri materiaalin välisen rajan.
Yhteenveto
Yhteenvetona voidaan todeta, että optinen aaltoputki on rakenne, joka "ohjaa" valoaaltoa estämällä sitä kulkemasta eri suuntaan kuin mitä halutaan. Lääketeollisuudessa optisia kuituja käytetään usein sekä diagnoosissa että terapiassa.
Joustavia optisista kuiduista valmistettuja säikeitä voidaan sijoittaa keuhkoihin, verivaltimoihin ja muihin elimiin. Yhdessä pitkässä putkessa on kaksi nippua optisia kuituja endoskoopin, lääketieteellisen laitteen, sisällä.
Yksityiskohtainen kuva luodaan suuntaamalla valoa kohti testattavaa kudosta yhdessä nipussa ja vastaanottamalla siitä heijastuvaa valoa toisessa nipussa. Endoskoopit voidaan tehdä tiettyjen ruumiinosien tai nivelten, kuten polvien, tutkimiseksi.
Jätä vastaus