Tartalomjegyzék[Elrejt][Előadás]
Az elektromágneses hullámokat az optikai spektrumban irányító fizikai objektumot optikai hullámvezetőnek nevezzük.
A műanyagból és üvegből, valamint optikai szálból álló átlátszó dielektromos hullámvezetők az optikai hullámvezetők tipikus formái.
A fény terjedésének térbeli tartományát egy optikai hullámvezető korlátozza, amely egy térben inhomogén fényirányító eszköz.
Jellemzően a hullámvezetőnek van egy szakasza, ahol a törésmutató magasabb, mint a környező közeg (ezt burkolatnak nevezik).
Ebben a cikkben megvizsgáljuk az optikai hullámvezető elveit, néhány példát és még sok mást.
Bevezetés az optikai hullámvezetőbe
A fotonikus eszközök alapvető építőkövei az optikai hullámvezetők, amelyek irányítják, kapcsolják, kapcsolják, osztják, multiplexelik és demultiplex optikai jeleket.
A mikroelektronikához hasonló planáris technológiát használva a passzív hullámvezetők, az elektrooptikai alkatrészek, az adók, vevők és a meghajtó elektronika egyetlen chipben kombinálhatók.
A hullámvezető eszközök teljesítménye számos tényezőtől függ, beleértve a geometriát, a hullámhosszt, a kezdeti téreloszlást, az anyaginformációkat és az elektrooptikai vezetési feltételeket, annak ellenére, hogy működésüket alaposan tanulmányozták és megértették.
A kütyü elkészítése előtt bizonyos paramétereket be kell hangolni. Mivel nagyon sok erőforrásra van szükség egy chip létrehozásához, a pontos modellezés elengedhetetlen a nagyméretű optoelektronikai áramkörökhöz.
A hullámvezető módokat, az üzemmód csatolását, a veszteséget és az erősítést, valamint a fényjelek átvitelét az optikai hullámvezető tervezésben szimulálják.
A hullámvezető eszközt a beviteli adatok egyik szakasza írja le geometriája, gyártási tényezői és anyagállandói alapján.
Ideális esetben a hullámvezető adatokat egy projektelrendezéssel kell bevinni olyan szoftverrel, amely képes kezelni a gyártási paramétereket is.
A numerikus számítások beállításához az adatbevitel egy másik összetevőt is tartalmaz. Egy tökéletes világban a bemeneti rendszerek elrejtik vagy korlátozzák a numerikus számítás sajátosságait.
De mivel a hullámvezető modellezés gyakran alkalmaz összetett numerikus eljárásokat, ismernie kell a mögöttes numerikus elemek néhány elemét.
A fotonikus áramkörök hullámvezetők segítségével készülnek. A hullámvezető középpontja mentén haladó útvonalra merőleges a hullámvezető szélességének meghatározása, akár rögzített, akár változó.
Az optikai hullámvezető alapelve
Amint az a képen látható, geometriai vagy sugároptikai koncepciók használhatók az optikai hullámvezetők alapgondolatainak közvetítésére.
A fénytörés az a folyamat, amelynek során a magasabb törésmutatójú anyagba belépő fény a normál felé hajlik.
Tekintsük azt az esetet, amikor a fény a levegőből jut be az üvegbe. Hasonlóan ahhoz, ahogy a másik irányba, az üvegből a levegőbe mozgó fény ugyanazt az utat követi, és eltér a megszokottól. Az idő-visszafordítási szimmetria miatt ez az eredmény. Lehetőség van minden levegősugarat az üvegben lévő sugarakra leképezni.
Létezik egy-egy kapcsolat. De az üvegben lévő fénysugarak egy része a fénytörés miatt kimarad. A működő mechanizmus a teljes belső visszaverődés, amely az üvegben maradó fényt megfogja.
A kritikus szög feletti szögben az üveg-levegő érintkezőre esnek. A Green-függvényre épülő kifinomultabb megfogalmazásokban ezek a járulékos sugarak az állapotok nagyobb sűrűségével korrelálnak.
A dielektromos hullámvezetőben a fényt teljes belső visszaverődés segítségével rögzíthetjük és irányíthatjuk. A vörös fénysugarak a magas indexű közeg felső és alsó felületéről verődnek vissza.
Amíg a födém fokozatosan hajlik, addig akkor is irányítható, ha ível vagy hajlik. A fényt a nagy indexű üvegmag mentén vezetik egy alacsonyabb indexű üvegburkolatban, a száloptikában ennek az alapelvnek megfelelően.
A hullámvezető működését a sugároptika csak nagyjából ábrázolja. A dielektromos hullámvezető teljes terű leírásához a Maxwell-egyenletek megoldhatók analitikusan vagy numerikusan.
Példa az optikai hullámvezetőre
A dielektromos lemezes hullámvezetők, más néven síkhullámvezetők, talán a legalapvetőbb optikai hullámvezetők.
A tömbösített hullámvezető rácsok, az akuszto-optikai szűrők és a modulátorok csak néhány olyan chipen lévő eszköz, amelyek egyszerűségük miatt használhatják a lemezes hullámvezetőket.
A lemezes hullámvezetőket gyakran használják játékmodellként is.
Három anyagréteg, amelyek mindegyikének különálló dielektromos állandója van, egyesítik a födémhullámvezetőt, amely korlátlanul kiterjedhet a köztük lévő interfészekkel párhuzamos irányba.
Ha a középső réteg törésmutatója magasabb, mint a külső rétegeké, a fény a középső rétegben található a teljes belső visszaverődésen keresztül.
Néhány példa a 2-dimenziós hullámvezetőre
Csíkos hullámvezető
Alapvetően a burkolati rétegek közé szorított réteg csíkja alkotja a szalag hullámvezetőt.
A födém hullámvezető vezetőrétege mindkét keresztirányban korlátozva van, nem pedig egyszerűen az egyikben, így a legegyszerűbb példa a téglalap alakú hullámvezetőre. Mind az integrált optikai áramkörök, mind a lézerdiódák téglalap alakú hullámvezetőket használnak.
Gyakran szolgálnak az optikai alkatrészek, például a Mach-Zehnder interferométerek és a hullámhosszosztásos multiplexerek alapjául. Sokszor téglalap alakú optikai hullámvezetőket használnak a lézerdiódák üregeinek kialakítására.
A sík technikát általában téglalap alakú optikai hullámvezetők létrehozására használják.
Borda hullámvezető
A bordás hullámvezetőben a vezetőréteg lényegében egy födém, amelynek tetejére egy csík (vagy több csík) van átfedve.
A többrétegű bordás szerkezetekben lehetséges a közel egységbezárás, valamint a hullám két dimenzióban történő korlátozása a bordás hullámvezetőkben.
Fotonikus kristály hullámvezető és szegmentált hullámvezető
Az optikai hullámvezetők terjedési útjuk mentén általában állandó keresztmetszetet tartanak fenn. Ez a helyzet például a szalag- és bordás hullámvezetők esetében.
Az úgynevezett Bloch módok használatával a hullámvezetők keresztmetszete periodikusan változhat, és mégis veszteség nélkül továbbítják a fényt.
Ezeket a hullámvezetőket fotonikus kristály hullámvezetőknek (2D vagy 3D mintázattal) vagy szegmentált hullámvezetőknek (1D mintázattal a terjedés irányában) osztályozzák.
Lézerrel feliratozott hullámvezető
Az optikai hullámvezetők a fotonikai iparban a leghasznosabbak. Az elektromos chipek és az optikai szálak közötti integrációt a hullámvezetők 3D térben történő felállítása teszi lehetővé.
Az infravörös fény egyetlen módusa távközlési hullámhosszon terjedhet ilyen hullámvezetők segítségével, amelyek szintén úgy vannak beállítva, hogy rendkívül kis veszteséggel szállítsák az optikai jeleket a bemeneti és a kimeneti helyek között.
Optikai hullámvezető alkalmazások
A mikrohullámú kommunikációs, műsorszórási és radarrendszerekben a hullámvezető egy elektromágneses tápvezeték. A hullámvezető fémcsőből vagy csőből készül, amely téglalap vagy henger alakú.
Az elektromágneses tér hosszanti irányban terjed. A kürt és a tányérantennák a legjellemzőbb hullámvezető alkalmazások.
Optikai szál – ez egy hullámvezető?
A teljes belső visszaverődés, amely az optikai szál működését szabályozza, fényhullámvezetőnek tekinthető.
Ha a beesési szög nagyobb, mint a kritikus szög, akkor teljes belső visszaverődés következik be, amikor egy terjedő hullám találkozik két különböző anyag határával.
Következtetés
Összefoglalva, az optikai hullámvezető egy olyan szerkezet, amely „vezeti” a fényhullámot azáltal, hogy megakadályozza, hogy a kívánttól eltérő irányba haladjon. Az orvosi iparban az optikai szálakat gyakran használják diagnosztizálásra és terápiára is.
Az optikai szálakból készült rugalmas szálak a tüdőbe, a vérartériákba és más szervekbe helyezhetők. Egy hosszú csőben két optikai szál köteg található egy endoszkópban, egy orvosi eszközben.
Részletes képet úgy készítünk, hogy a fényt a vizsgált szövetre irányítjuk az egyik kötegben, míg a másik kötegben a róla visszaverődő fényt kapjuk. Endoszkópok készíthetők bizonyos testrészek vagy ízületek, például a térd vizsgálatára.
Hagy egy Válaszol