Índice analítico[Ocultar][Mostrar]
Un obxecto físico que dirixe ondas electromagnéticas no espectro óptico chámase guía de ondas ópticas.
As guías de ondas dieléctricas transparentes compostas de plástico e vidro, así como fibra óptica, son formas típicas de guías de ondas ópticas.
O rango espacial no que se pode propagar a luz está restrinxido por unha guía de ondas óptica, que é un dispositivo espacialmente non homoxéneo para dirixir a luz.
Normalmente, unha guía de ondas ten unha sección onde o índice de refracción é maior que o medio circundante (chamado revestimento).
Neste artigo, examinaremos os principios da guía de ondas ópticas, algúns exemplos e moito máis.
Introdución á guía de ondas ópticas
Os bloques fundamentais dos dispositivos fotónicos son as guías de ondas ópticas, que dirixen, acoplan, conmutan, dividen, multiplexan e demultiplexen sinais ópticos.
Usando tecnoloxía plana, que é semellante á microelectrónica, pódense combinar guías de ondas pasivas, compoñentes electroópticos, transmisores, receptores e electrónica de condución nun único chip.
O rendemento dos dispositivos de guía de ondas depende dunha variedade de factores, incluíndo a xeometría, a lonxitude de onda, a distribución inicial do campo, a información do material e as condicións de condución electroóptica, a pesar de que o seu funcionamento foi estudado e comprendido amplamente.
Antes de facer un gadget, hai que axustar certos parámetros. Debido a que se necesitan moitos recursos para crear un chip, o modelado preciso é esencial para os circuítos optoelectrónicos a gran escala.
Os modos de guía de ondas, o acoplamento de modos, a perda e a ganancia, así como a transmisión de sinais luminosos, son simulados no deseño da guía de ondas ópticas.
O dispositivo de guía de ondas descríbese nunha sección dos datos de entrada pola súa xeometría, factores de fabricación e constantes do material.
Os datos da guía de ondas deberían introducirse mediante un deseño de proxecto cun software que tamén poida xestionar os parámetros de fabricación.
Para establecer cálculos numéricos, a entrada de datos tamén inclúe outro compoñente. Nun mundo perfecto, os sistemas de entrada ocultarían ou restrinxirían os detalles específicos do cálculo numérico.
Pero dado que o modelado de guías de ondas fai uso frecuentemente de procedementos numéricos complexos, cómpre estar familiarizado con algúns elementos dos numéricos subxacentes.
Os circuítos fotónicos constrúense utilizando guías de ondas. Perpendicular á ruta ao longo do centro da guía de ondas é a definición da anchura dunha guía de ondas, xa sexa fixa ou cambiante.
Principios básicos de guía de ondas ópticas
Como se mostra na imaxe, pódense usar conceptos xeométricos ou de óptica de raios para transmitir as ideas fundamentais que sustentan as guías de ondas ópticas.
A refracción é o proceso polo cal a luz que entra nun material que ten un índice de refracción máis elevado se curva cara ao normal.
Considere o caso da luz que entra no vidro desde o aire. Semellante a como a luz que se move para outro lado, do vidro ao aire, segue o mesmo percorrido e desvíase do habitual. Debido á simetría de inversión de tempo, isto resulta. É posible mapear cada raio no aire a un raio no vidro.
Existe unha relación un a un. Pero algúns dos raios de luz do vidro pérdense debido á refracción. A reflexión interna total, que atrapa a luz restante no vidro, é o mecanismo que traballa.
Nun ángulo sobre o ángulo crítico, inciden no contacto vidro-aire. En formulacións máis sofisticadas construídas sobre a función de Green, estes raios adicionais correlacionan cunha maior densidade de estados.
Nunha guía de ondas dieléctrica, podemos captar e dirixir a luz mediante a reflexión interna total. Os raios de luz vermella reflicten as superficies superior e inferior do medio de alto índice.
Mentres a lousa se dobre gradualmente, pódese dirixir mesmo cando se curva ou se dobra. A luz é guiada ao longo dun núcleo de vidro de alto índice nun revestimento de vidro de índice inferior segundo este principio fundamental da fibra óptica.
O funcionamento da guía de ondas só se representa de forma aproximada pola óptica de raios. Para unha descrición de campo completo dunha guía de ondas dieléctricas, as ecuacións de Maxwell pódense resolver analíticamente ou numericamente.
Exemplo de guía de ondas ópticas
As guías de ondas dieléctricas, tamén coñecidas como guías de ondas planas, son quizais o tipo máis básico de guías de ondas ópticas.
As reixas de guías de onda en disposición, os filtros acústico-ópticos e os moduladores son só algúns dispositivos integrados en chip que poden usar guías de ondas de placa pola súa sinxeleza.
As guías de onda de lousa tamén se usan con frecuencia como modelos de xoguetes.
Combínanse tres capas de materiais, cada unha cunha constante dieléctrica distinta, para formar a guía de ondas de lousa, que pode estenderse indefinidamente en direccións paralelas ás interfaces entre elas.
Se a capa central ten un índice de refracción maior que as capas externas, a luz está contida na capa media a través da reflexión interna total.
Algúns exemplos da guía de ondas bidimensional
Guía de ondas de tira
Basicamente, unha tira da capa que se aperta entre as capas de revestimento é o que constitúe unha guía de ondas de tira.
A capa de guía da guía de ondas de lousa está restrinxida en ambas direccións transversais en lugar de simplemente unha, o que resulta no exemplo máis sinxelo dunha guía de ondas rectangular. Tanto os circuítos ópticos integrados como os díodos láser empregan guías de onda rectangulares.
Adoitan servir de base para pezas ópticas como os interferómetros Mach-Zehnder e os multiplexores de división de lonxitude de onda. Moitas veces, utilízanse guías de ondas ópticas rectangulares para construír as cavidades dos díodos láser.
Normalmente úsase unha técnica plana para crear guías de ondas ópticas cunha forma rectangular.
Guía de ondas costela
Nunha guía de ondas de costela, a capa de guía é esencialmente unha lousa cunha tira (ou varias tiras) superpostas sobre ela.
Nas estruturas de costelas multicapa, é posible o confinamento case unitario, así como o confinamento da onda en dúas dimensións nas guías de ondas das costelas.
Guía de ondas de cristal fotónico e guía de ondas segmentadas
Ao longo da súa ruta de propagación, as guías de ondas ópticas normalmente manteñen unha sección transversal constante. Esta é a situación, por exemplo, coas guías de ondas de banda e costela.
Usando os chamados modos de Bloch, as guías de onda tamén poden ter variacións periódicas na súa sección transversal e, aínda así, transmitir luz sen ningunha perda.
Estas guías de ondas clasifícanse como guías de ondas de cristal fotónico (cun patrón 2D ou 3D) ou guías de onda segmentadas (cun patrón 1D ao longo da dirección de propagación).
Guía de ondas con láser
A industria fotónica é onde as guías de ondas ópticas son máis útiles. A integración entre chips eléctricos e fibras ópticas faise posible configurando as guías de onda no espazo 3D.
Pódese propagar un único modo de luz infravermella a lonxitudes de onda de telecomunicacións usando estes guías de onda, que tamén están configurados para transportar sinais ópticos entre os sitios de entrada e saída cunha perda moi pequena.
Usos da guía de ondas ópticas
En comunicacións por microondas, radiodifusión e sistemas de radar, unha guía de ondas é unha liña de alimentación electromagnética. Unha guía de ondas está feita dun tubo ou tubo metálico rectangular ou cilíndrico.
O campo electromagnético esténdese lonxitudinalmente. As antenas parabólicas e parabólicas son as aplicacións de guía de onda máis típicas.
Fibra óptica: é unha guía de ondas?
A reflexión interna total, que rexe o funcionamento da fibra óptica, pódese considerar como unha guía de ondas luminosas.
Se o ángulo de incidencia é maior que o ángulo crítico, a reflexión interna total prodúcese cando unha onda en propagación atopa o límite entre dous materiais diferentes.
Conclusión
En conclusión, unha guía de ondas ópticas é unha estrutura que "guía" unha onda luminosa evitando que viaxa nunha dirección diferente á que se quere. Na industria médica, as fibras ópticas utilízanse con frecuencia tanto para o diagnóstico como para a terapia.
Os fíos flexibles feitos de fibras ópticas pódense colocar nos pulmóns, arterias sanguíneas e outros órganos. Un tubo longo alberga dous feixes de fibras ópticas dentro dun endoscopio, un dispositivo médico.
Créase unha imaxe detallada dirixindo a luz cara ao tecido a proba nun feixe mentres recibe a luz reflectida del no outro feixe. Pódense facer endoscopios para examinar certas partes do corpo ou articulacións, como os xeonllos.
Deixe unha resposta