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Un objet physique qui dirige les ondes électromagnétiques dans le spectre optique est appelé un guide d'ondes optique.
Les guides d'ondes diélectriques transparents composés de plastique et de verre, ainsi que la fibre optique, sont des formes typiques de guides d'ondes optiques.
La plage spatiale dans laquelle la lumière peut se propager est limitée par un guide d'ondes optique, qui est un dispositif spatialement inhomogène pour diriger la lumière.
Typiquement, un guide d'onde a une section où l'indice de réfraction est supérieur à celui du milieu environnant (appelée gaine).
Dans cet article, nous examinerons les principes du guide d'ondes optique, quelques exemples et bien plus encore.
Introduction au guide d'ondes optique
Les éléments constitutifs fondamentaux des dispositifs photoniques sont les guides d'ondes optiques, qui dirigent, couplent, commutent, divisent, multiplexent et démultiplexent les signaux optiques.
En utilisant la technologie planaire, qui s'apparente à la microélectronique, les guides d'ondes passifs, les composants électro-optiques, les émetteurs, les récepteurs et l'électronique de commande peuvent tous être combinés sur une seule puce.
Les performances des dispositifs de guide d'ondes dépendent de divers facteurs, notamment la géométrie, la longueur d'onde, la distribution initiale du champ, les informations sur les matériaux et les conditions de commande électrooptiques, malgré le fait que leur fonctionnement a été largement étudié et compris.
Avant de fabriquer un gadget, certains paramètres doivent être réglés. Parce que tant de ressources sont nécessaires pour créer une puce, une modélisation précise est essentielle pour les circuits optoélectroniques à grande échelle.
Les modes de guide d'ondes, le couplage de modes, la perte et le gain, ainsi que la transmission de signaux lumineux, sont tous simulés dans la conception de guides d'ondes optiques.
Le dispositif de guide d'ondes est décrit dans une section des données d'entrée par sa géométrie, ses facteurs de fabrication et ses constantes de matériau.
Les données du guide d'ondes doivent idéalement être saisies à l'aide d'une disposition de projet avec un logiciel qui peut également gérer les paramètres de fabrication.
Pour le paramétrage des calculs numériques, la saisie des données comprend également une autre composante. Dans un monde parfait, les systèmes d'entrée cacheraient ou restreindraient les spécificités du calcul numérique.
Mais comme la modélisation des guides d'ondes utilise fréquemment des procédures numériques complexes, vous devez vous familiariser avec certains éléments des valeurs numériques sous-jacentes.
Les circuits photoniques sont construits à l'aide de guides d'ondes. Perpendiculaire à l'itinéraire le long du centre du guide d'ondes se trouve la définition de la largeur d'un guide d'ondes, qu'elle soit fixe ou variable.
Principe de base du guide d'ondes optique
Comme le montre l'image, des concepts géométriques ou d'optique à rayons peuvent être utilisés pour transmettre les idées fondamentales qui sous-tendent les guides d'ondes optiques.
La réfraction est le processus par lequel la lumière qui pénètre dans un matériau ayant un indice de réfraction plus élevé se plie vers la normale.
Prenons le cas de la lumière entrant dans le verre depuis l'air. Semblable à la façon dont la lumière se déplaçant dans l'autre sens, du verre à l'air, suit le même chemin et s'écarte de l'habituel. En raison de la symétrie d'inversion du temps, cela se produit. Il est possible de mapper chaque rayon dans l'air à un rayon dans le verre.
Une relation un à un existe. Mais certains des rayons lumineux dans le verre sont manqués en raison de la réfraction. La réflexion interne totale, qui emprisonne la lumière restante dans le verre, est le mécanisme à l'œuvre.
A un angle supérieur à l'angle critique, elles sont incidentes sur le contact verre-air. Dans des formulations plus sophistiquées basées sur la fonction de Green, ces rayons supplémentaires sont corrélés à une plus grande densité d'états.
Dans un guide d'ondes diélectrique, nous pouvons capter et diriger la lumière en utilisant la réflexion interne totale. Les rayons lumineux rouges se reflètent sur les surfaces supérieure et inférieure du support à indice élevé.
Tant que la dalle se plie progressivement, elle peut être dirigée même lorsqu'elle se courbe ou se plie. La lumière est guidée le long d'un cœur en verre à indice élevé dans une gaine en verre à indice inférieur selon ce principe fondamental de la fibre optique.
Le fonctionnement du guide d'ondes n'est que grossièrement représenté par l'optique à rayons. Pour une description plein champ d'un guide d'ondes diélectrique, les équations de Maxwell peuvent être résolues analytiquement ou numériquement.
Exemple de guide d'onde optique
Les guides d'ondes à dalle diélectrique, également connus sous le nom de guides d'ondes planaires, sont peut-être le type le plus élémentaire de guides d'ondes optiques.
Les réseaux de guides d'ondes en réseau, les filtres acousto-optiques et les modulateurs ne sont que quelques dispositifs sur puce qui peuvent utiliser des guides d'ondes à dalle en raison de leur simplicité.
Les guides d'ondes à dalle sont également fréquemment utilisés comme modèles de jouets.
Trois couches de matériaux, chacune ayant une constante diélectrique distincte, sont combinées pour former le guide d'ondes à dalle, qui peut s'étendre indéfiniment dans des directions parallèles aux interfaces entre elles.
Si la couche centrale a un indice de réfraction plus élevé que les couches externes, la lumière est contenue dans la couche intermédiaire par réflexion interne totale.
Quelques exemples de guide d'onde bidimensionnel
Guide d'ondes à bande
Fondamentalement, une bande de la couche qui est pressée entre les couches de revêtement est ce qui constitue un guide d'ondes à bande.
La couche guidante du guide d'ondes à dalle est contrainte dans les deux directions transversales plutôt que dans une seule, ce qui donne l'exemple le plus simple d'un guide d'ondes rectangulaire. Les circuits optiques intégrés et les diodes laser utilisent des guides d'ondes rectangulaires.
Ils servent souvent de base à des composants optiques tels que les interféromètres Mach-Zehnder et les multiplexeurs en longueur d'onde. Souvent, des guides d'ondes optiques rectangulaires sont utilisés pour construire les cavités des diodes laser.
Une technique planaire est généralement utilisée pour créer des guides d'ondes optiques de forme rectangulaire.
Guide d'ondes à nervures
Dans un guide d'ondes à nervure, la couche de guidage est essentiellement une dalle avec une bande (ou plusieurs bandes) superposée sur celle-ci.
Dans les structures nervurées multicouches, un confinement proche de l'unité est possible ainsi qu'un confinement de l'onde en deux dimensions dans des guides d'ondes nervurés.
Guide d'ondes à cristal photonique et guide d'ondes segmenté
Le long de leur chemin de propagation, les guides d'ondes optiques conservent normalement une section constante. C'est le cas, par exemple, des guides d'ondes à bande et à nervure.
En utilisant les modes dits de Bloch, les guides d'ondes peuvent également avoir des variations périodiques de leur section et pourtant transmettre la lumière sans aucune perte.
Ces guides d'ondes sont classés en tant que guides d'ondes à cristaux photoniques (avec une structuration 2D ou 3D) ou des guides d'ondes segmentés (avec une structuration 1D le long de la direction de propagation).
Guide d'ondes gravé au laser
L'industrie de la photonique est celle où les guides d'ondes optiques sont les plus utiles. L'intégration entre les puces électriques et les fibres optiques est rendue possible par la mise en place des guides d'ondes dans l'espace 3D.
Un seul mode de lumière infrarouge aux longueurs d'onde de télécommunication peut être propagé à l'aide de tels guides d'ondes, qui sont également configurés pour transporter des signaux optiques entre les sites d'entrée et de sortie avec une perte extrêmement faible.
Utilisations des guides d'ondes optiques
Dans les communications par micro-ondes, la diffusion et les systèmes radar, un guide d'ondes est une ligne d'alimentation électromagnétique. Un guide d'ondes est constitué d'un tuyau ou d'un tube métallique rectangulaire ou cylindrique.
Le champ électromagnétique se propage longitudinalement. Les antennes coniques et paraboliques sont les applications de guide d'ondes les plus typiques.
La fibre optique, est-ce un guide d'ondes ?
La réflexion interne totale, qui régit le fonctionnement de la fibre optique, peut être considérée comme un guide d'ondes lumineuses.
Si l'angle d'incidence est supérieur à l'angle critique, une réflexion interne totale se produit lorsqu'une onde se propageant rencontre la frontière entre deux matériaux différents.
Conclusion
En conclusion, un guide d'onde optique est une structure qui « guide » une onde lumineuse en l'empêchant de se déplacer dans une direction différente de celle qui est souhaitée. Dans l'industrie médicale, les fibres optiques sont fréquemment utilisées à la fois pour le diagnostic et la thérapie.
Des brins flexibles constitués de fibres optiques peuvent être placés dans les poumons, les artères sanguines et d'autres organes. Un long tube abrite deux faisceaux de fibres optiques à l'intérieur d'un endoscope, un dispositif médical.
Une image détaillée est créée en dirigeant la lumière vers le tissu testé dans un faisceau tout en recevant la lumière réfléchie par celui-ci dans l'autre faisceau. Des endoscopes peuvent être fabriqués pour examiner certaines parties du corps ou certaines articulations, comme les genoux.
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