Pregled sadržaja[Sakriti][Pokazati]
Fizički objekt koji usmjerava elektromagnetske valove u optičkom spektru naziva se optički valovod.
Transparentni dielektrični valovodi sastavljeni od plastike i stakla, kao i optička vlakna, tipični su oblici optičkih valovoda.
Prostorni raspon u kojem se svjetlost može širiti ograničen je optičkim valovodom, koji je prostorno nehomogen uređaj za usmjeravanje svjetlosti.
Tipično, valovod ima dio gdje je indeks loma viši od okolnog medija (naziva se obloga).
U ovom ćemo članku ispitati principe optičkog valovoda, neke primjere i još mnogo toga.
Uvod u optički valovod
Temeljni građevni blokovi fotoničkih uređaja su optički valovod, koji usmjerava, spaja, prebacuje, dijeli, multipleksira i demultipleksira optičke signale.
Korištenjem planarne tehnologije, koja je slična mikroelektronici, pasivni valovod, elektrooptičke komponente, odašiljači, prijamnici i pogonska elektronika mogu se kombinirati na jednom čipu.
Učinkovitost valovodnih uređaja ovisi o nizu čimbenika, uključujući geometriju, valnu duljinu, početnu distribuciju polja, podatke o materijalu i elektrooptičke pogonske uvjete, unatoč činjenici da je njihovo funkcioniranje opsežno proučavano i shvaćeno.
Prije izrade gadgeta potrebno je podesiti određene parametre. Budući da je za izradu čipa potrebno toliko mnogo resursa, precizno modeliranje bitno je za optoelektroničke sklopove velikih razmjera.
Modovi valovoda, sprezanje modova, gubitak i pojačanje, kao i prijenos svjetlosnih signala, svi su simulirani u dizajnu optičkog valovoda.
Valovodni uređaj opisan je u jednom odjeljku unosa podataka svojom geometrijom, faktorima proizvodnje i konstantama materijala.
Idealno bi bilo da se podaci valovoda unose pomoću izgleda projekta sa softverom koji također može upravljati proizvodnim parametrima.
Za postavljanje numeričkih izračuna, unos podataka uključuje i drugu komponentu. U savršenom svijetu, ulazni sustavi bi sakrili ili ograničili specifičnosti numeričkog izračuna.
Ali budući da se modeliranje valovoda često koristi složenim numeričkim postupcima, morate biti upoznati s nekim elementima temeljnih numerika.
Fotonski krugovi konstruirani su pomoću valovoda. Okomito na trasu duž središta valovoda je definicija širine valovoda, bilo da je fiksna ili promjenjiva.
Osnovni principi optičkog valovoda
Kao što je prikazano na slici, geometrijski ili optički koncepti zraka mogu se koristiti za prenošenje temeljnih ideja koje podupiru optičke valovode.
Refrakcija je proces kojim se svjetlost koja ulazi u materijal s višim indeksom loma savija prema normali.
Razmotrimo slučaj ulaska svjetlosti u staklo iz zraka. Slično kao što svjetlost koja se kreće na drugu stranu, od stakla do zraka, slijedi isti put i odstupa od uobičajenog. Ovo rezultira zbog simetrije obrnutog vremena. Moguće je svaku zraku u zraku preslikati na zraku u staklu.
Postoji odnos jedan na jedan. Ali dio svjetlosnih zraka u staklu propušta se zbog loma. Potpuna unutarnja refleksija, koja zadržava preostalu svjetlost u staklu, mehanizam je na djelu.
Pod kutom iznad kritičnog kuta, oni upadaju na kontakt staklo-zrak. U sofisticiranijim formulacijama izgrađenim na Greenovoj funkciji, te dodatne zrake koreliraju s većom gustoćom stanja.
U dielektričnom valovodu možemo uhvatiti i usmjeriti svjetlost korištenjem potpune unutarnje refleksije. Crvene svjetlosne zrake odbijaju se od gornje i donje površine medija s visokim indeksom.
Sve dok se ploča postupno savija, može se usmjeravati čak i kada se savija ili savija. Svjetlost se vodi duž staklene jezgre visokog indeksa u staklenoj ovojnici nižeg indeksa prema ovom temeljnom principu u optičkim vlaknima.
Rad valovoda samo je grubo prikazan optikom zraka. Za opis cijelog polja dielektričnog valovoda, Maxwellove jednadžbe mogu se riješiti analitički ili numerički.
Primjer optičkog valovoda
Dielektrični pločasti valovod, također poznat kao planarni valovod, možda je najosnovnija vrsta optičkog valovoda.
Postavljene valovodne rešetke, akustooptički filtri i modulatori samo su neki od uređaja na čipu koji mogu koristiti pločaste valovode zbog njihove jednostavnosti.
Pločasti valovod se također često koristi kao modeli igračke.
Tri sloja materijala, od kojih svaki ima različitu dielektričnu konstantu, kombiniraju se kako bi formirali pločasti valovod, koji se može beskonačno protezati u smjerovima paralelnim sa sučeljima između njih.
Ako središnji sloj ima veći indeks loma od vanjskih slojeva, svjetlost je sadržana u srednjem sloju kroz potpunu unutarnju refleksiju.
Neki primjeri 2-dimenzionalnog valovoda
Trakasti valovod
U osnovi, traka sloja koja je stisnuta između slojeva obloge je ono što čini trakasti valovod.
Vodeći sloj pločastog valovoda je ograničen u oba poprečna smjera, a ne samo u jednom, što rezultira najjednostavnijim primjerom pravokutnog valovoda. I integrirani optički krugovi i laserske diode koriste pravokutne valovode.
Oni često služe kao temelj za optičke dijelove kao što su Mach-Zehnder interferometri i multiplekseri s podjelom valnih duljina. Često se pravokutni optički valovod koristi za izradu šupljina laserskih dioda.
Planarna tehnika obično se koristi za stvaranje optičkih valovoda pravokutnog oblika.
Rebrasti valovod
U rebrastom valovodu, vodeći sloj je u biti ploča s trakom (ili više traka) prekrivenom preko nje.
U višeslojnim rebrastim strukturama moguće je ograničenje blizu jedinice, kao i ograničenje vala u dvije dimenzije u rebrastim valovodima.
Fotonski kristalni valovod i segmentirani valovod
Duž svoje staze širenja, optički valovod obično ima konstantan poprečni presjek. Takva je situacija, na primjer, s trakastim i rebrastim valovodima.
Korištenjem takozvanih Blochovih modova, valovod može također imati periodične varijacije u svom poprečnom presjeku, a ipak propuštati svjetlost bez ikakvih gubitaka.
Ovi valovodi se klasificiraju kao fotonski kristalni valovod (s 2D ili 3D uzorkom) ili segmentirani valovod (s 1D uzorkom duž smjera širenja).
Laserski upisani valovod
Fotonička industrija je mjesto gdje su optički valovodi najkorisniji. Integracija između električnih čipova i optičkih vlakana omogućena je postavljanjem valovoda u 3D prostoru.
Pojedinačni način infracrvenog svjetla na telekomunikacijskim valnim duljinama može se širiti pomoću takvih valovoda, koji su također postavljeni za prijenos optičkih signala između ulaznih i izlaznih mjesta uz izuzetno male gubitke.
Upotreba optičkog valovoda
U mikrovalnim komunikacijama, radiodifuziji i radarskim sustavima, valovod je elektromagnetska linija napajanja. Valovod je napravljen od metalne cijevi pravokutnog ili cilindričnog oblika.
Elektromagnetsko polje se širi uzdužno. Horne i antene su najtipičnije primjene valovoda.
Optičko vlakno — je li to valovod?
Potpuna unutarnja refleksija, koja upravlja funkcioniranjem optičkih vlakana, može se smatrati svjetlosnim valovodom.
Ako je upadni kut veći od kritičnog kuta, dolazi do totalne unutarnje refleksije kada val koji se širi naiđe na granicu između dva različita materijala.
Zaključak
Zaključno, optički valovod je struktura koja "vodi" svjetlosni val sprječavajući ga da putuje u smjeru različitom od željenog. U medicinskoj industriji, optička vlakna se često koriste i za dijagnozu i za terapiju.
Fleksibilne niti izrađene od optičkih vlakana mogu se postaviti u pluća, krvne arterije i druge organe. Jedna dugačka cijev sadrži dva snopa optičkih vlakana unutar endoskopa, medicinskog uređaja.
Detaljna slika se stvara usmjeravanjem svjetla prema tkivu koje se ispituje u jednom snopu dok prima svjetlo reflektirano od njega u drugom snopu. Endoskopi se mogu izraditi za pregled određenih dijelova tijela ili zglobova, poput koljena.
Ostavi odgovor