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Un oggetto fisico che dirige le onde elettromagnetiche nello spettro ottico è chiamato guida d'onda ottica.
Le guide d'onda dielettriche trasparenti composte da plastica e vetro, così come la fibra ottica, sono forme tipiche delle guide d'onda ottiche.
L'intervallo spaziale in cui la luce può propagarsi è vincolato da una guida d'onda ottica, che è un dispositivo spazialmente disomogeneo per dirigere la luce.
Tipicamente, una guida d'onda ha una sezione in cui l'indice di rifrazione è superiore al mezzo circostante (chiamato cladding).
In questo articolo esamineremo i principi della guida d'onda ottica, alcuni esempi e molto altro.
Introduzione alla guida d'onda ottica
Gli elementi costitutivi fondamentali dei dispositivi fotonici sono le guide d'onda ottiche, che dirigono, accoppiano, commutano, dividono, multiplex e demultiplex i segnali ottici.
Utilizzando la tecnologia planare, che è simile alla microelettronica, le guide d'onda passive, i componenti elettroottici, i trasmettitori, i ricevitori e l'elettronica di guida possono essere combinati su un unico chip.
Le prestazioni dei dispositivi in guida d'onda dipendono da una varietà di fattori, tra cui geometria, lunghezza d'onda, distribuzione del campo iniziale, informazioni sul materiale e condizioni di guida elettroottica, nonostante il loro funzionamento sia stato ampiamente studiato e compreso.
Prima di creare un gadget, è necessario regolare alcuni parametri. Poiché sono necessarie così tante risorse per creare un chip, la modellazione precisa è essenziale per i circuiti optoelettronici su larga scala.
Le modalità della guida d'onda, l'accoppiamento di modalità, la perdita e il guadagno, nonché la trasmissione di segnali luminosi, sono tutti simulati nella progettazione della guida d'onda ottica.
Il dispositivo guida d'onda è descritto in una sezione dei dati di immissione dalla sua geometria, fattori di produzione e costanti del materiale.
I dati della guida d'onda dovrebbero idealmente essere inseriti utilizzando un layout di progetto con un software in grado di gestire anche i parametri di produzione.
Per impostare i calcoli numerici, l'inserimento dei dati include anche un altro componente. In un mondo perfetto, i sistemi di input nasconderebbero o limiterebbero le specifiche del calcolo numerico.
Ma poiché la modellazione della guida d'onda fa spesso uso di complesse procedure numeriche, è necessario avere familiarità con alcuni elementi dei valori numerici sottostanti.
I circuiti fotonici sono costruiti utilizzando guide d'onda. Perpendicolare al percorso lungo il centro della guida d'onda è la definizione della larghezza di una guida d'onda, fissa o variabile.
Principio di base della guida d'onda ottica
Come mostrato nell'immagine, i concetti di ottica geometrica o a raggi possono essere utilizzati per trasmettere le idee fondamentali alla base delle guide d'onda ottiche.
La rifrazione è il processo mediante il quale la luce che entra in un materiale con un indice di rifrazione più elevato si piega verso la normale.
Si consideri il caso della luce che entra nel vetro dall'aria. Simile a come la luce che si muove dall'altra parte, dal vetro all'aria, segue lo stesso percorso e devia dal solito. A causa della simmetria di inversione temporale, questo risulta. È possibile mappare ogni raggio nell'aria su un raggio nel vetro.
Esiste una relazione uno a uno. Ma alcuni dei raggi di luce nel vetro vengono persi a causa della rifrazione. La riflessione interna totale, che intrappola la luce residua nel vetro, è il meccanismo al lavoro.
Ad un angolo superiore all'angolo critico, sono incidenti sul contatto vetro-aria. In formulazioni più sofisticate basate sulla funzione di Green, questi raggi aggiuntivi sono correlati a una maggiore densità di stati.
In una guida d'onda dielettrica, possiamo catturare e dirigere la luce utilizzando la riflessione interna totale. I raggi di luce rossa si riflettono sulle superfici superiore e inferiore del mezzo ad alto indice.
Finché la lastra si piega gradualmente, può essere orientata anche quando curva o piega. La luce viene guidata lungo un nucleo di vetro ad alto indice in un rivestimento di vetro ad indice inferiore secondo questo principio fondamentale nelle fibre ottiche.
Il funzionamento della guida d'onda è rappresentato solo approssimativamente dall'ottica a raggi. Per una descrizione a tutto campo di una guida d'onda dielettrica, le equazioni di Maxwell possono essere risolte analiticamente o numericamente.
Esempio di guida d'onda ottica
Le guide d'onda a lastre dielettriche, note anche come guide d'onda planari, sono forse il tipo più elementare di guide d'onda ottiche.
I reticoli di guida d'onda allineati, i filtri acusto-ottici e i modulatori sono solo alcuni dei dispositivi su chip che possono utilizzare guide d'onda a lastra per la loro semplicità.
Le guide d'onda Slab sono spesso utilizzate anche come modellini di giocattoli.
Tre strati di materiali, ciascuno avente una costante dielettrica distinta, sono combinati per formare la guida d'onda della lastra, che può estendersi indefinitamente in direzioni parallele alle interfacce tra di loro.
Se lo strato centrale ha un indice di rifrazione maggiore rispetto agli strati esterni, la luce è contenuta nello strato intermedio attraverso la riflessione interna totale.
Alcuni esempi di guida d'onda bidimensionale
Striscia di guida d'onda
Fondamentalmente, una striscia dello strato che viene schiacciata tra gli strati di rivestimento è ciò che costituisce una guida d'onda della striscia.
Lo strato guida della guida d'onda della lastra è vincolato in entrambe le direzioni trasversali anziché semplicemente in una, risultando nell'esempio più semplice di una guida d'onda rettangolare. Sia i circuiti ottici integrati che i diodi laser utilizzano guide d'onda rettangolari.
Servono spesso come base per parti ottiche come interferometri Mach-Zehnder e multiplexer a divisione di lunghezza d'onda. Molte volte, le guide d'onda ottiche rettangolari vengono utilizzate per costruire le cavità dei diodi laser.
Una tecnica planare viene in genere utilizzata per creare guide d'onda ottiche di forma rettangolare.
Guida d'onda della nervatura
In una guida d'onda a nervatura, lo strato guida è essenzialmente una lastra con una striscia (o più strisce) sovrapposta su di essa.
Nelle strutture a coste multistrato, è possibile il confinamento vicino all'unità così come il confinamento dell'onda in due dimensioni nelle guide d'onda delle coste.
Guida d'onda a cristalli fotonici e guida d'onda segmentata
Lungo il loro percorso di propagazione, le guide d'onda ottiche normalmente mantengono una sezione trasversale costante. Questa è la situazione, ad esempio, con le guide d'onda strip e rib.
Utilizzando le cosiddette modalità Bloch, le guide d'onda possono anche avere variazioni periodiche nella loro sezione trasversale e tuttavia trasmettere luce senza alcuna perdita.
Queste guide d'onda sono classificate come guide d'onda a cristalli fotonici (con una configurazione 2D o 3D) o guide d'onda segmentate (con una configurazione 1D lungo la direzione di propagazione).
Guida d'onda incisa al laser
L'industria della fotonica è dove le guide d'onda ottiche sono più utili. L'integrazione tra chip elettrici e fibre ottiche è resa possibile dalla configurazione delle guide d'onda nello spazio 3D.
Una singola modalità di luce infrarossa alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni può essere propagata utilizzando tali guide d'onda, che sono anche impostate per trasportare segnali ottici tra i siti di ingresso e di uscita con perdite estremamente ridotte.
Usi della guida d'onda ottica
Nelle comunicazioni a microonde, nelle trasmissioni e nei sistemi radar, una guida d'onda è una linea di alimentazione elettromagnetica. Una guida d'onda è costituita da un tubo o tubo metallico rettangolare o cilindrico.
Il campo elettromagnetico si diffonde longitudinalmente. Le antenne a tromba e parabolica sono le applicazioni di guida d'onda più tipiche.
Fibra ottica: è una guida d'onda?
La riflessione interna totale, che regola il funzionamento della fibra ottica, può essere considerata come una guida d'onda della luce.
Se l'angolo di incidenza è maggiore dell'angolo critico, la riflessione interna totale si verifica quando un'onda che si propaga incontra il confine tra due diversi materiali.
Conclusione
In conclusione, una guida d'onda ottica è una struttura che “guida” un'onda luminosa impedendole di viaggiare in una direzione diversa da quella voluta. Nell'industria medica, le fibre ottiche sono spesso utilizzate sia per la diagnosi che per la terapia.
I fili flessibili fatti di fibre ottiche possono essere inseriti nei polmoni, nelle arterie del sangue e in altri organi. Un lungo tubo ospita due fasci di fibre ottiche all'interno di un endoscopio, un dispositivo medico.
Un'immagine dettagliata viene creata dirigendo la luce verso il tessuto da testare in un fascio mentre si riceve la luce riflessa da esso nell'altro fascio. Gli endoscopi possono essere realizzati per esaminare alcune parti del corpo o articolazioni, come le ginocchia.
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