עצם פיזי שמכוון גלים אלקטרומגנטיים בספקטרום האופטי נקרא מוליך גל אופטי.
מוליכי גל דיאלקטריים שקופים המורכבים מפלסטיק וזכוכית, כמו גם סיבים אופטיים, הם צורות אופייניות של מובילי גל אופטיים.
הטווח המרחבי שבו אור יכול להתפשט מוגבל על ידי מוליך גל אופטי, שהוא מכשיר לא הומוגני מבחינה מרחבית להכוונת אור.
בדרך כלל, למוביל גל יש קטע שבו מקדם השבירה גבוה מהמדיום שמסביב (הנקרא חיפוי).
במאמר זה נבחן את העקרונות של מוליך הגל האופטי, כמה דוגמאות ועוד הרבה יותר.
מבוא למוביל גל אופטי
אבני הבניין הבסיסיות של התקנים פוטוניים הם מוליכי גל אופטיים, המכוונים, מצמדים, מעבירים, מחלקים, מרבבים ומשולבים אותות אופטיים.
באמצעות טכנולוגיה מישורית, הדומה למיקרו-אלקטרוניקה, ניתן לשלב מוליכי גל פסיביים, רכיבים אלקטרואופטיים, משדרים, מקלטים ואלקטרוניקה הנעה על גבי שבב אחד.
הביצועים של מכשירי מוליכי גל תלויים במגוון גורמים, לרבות גיאומטריה, אורך גל, התפלגות שדה ראשונית, מידע חומר ותנאי נהיגה אלקטרואופטית, למרות העובדה שתפקודם נחקר והובן בהרחבה.
לפני יצירת גאדג'ט, יש לכוון פרמטרים מסוימים. מכיוון שנדרשים כל כך הרבה משאבים ליצירת שבב, מודלים מדויקים חיוניים עבור מעגלים אופטואלקטרוניים בקנה מידה גדול.
מצבי מוליך גל, צימוד מצבים, אובדן ורווח, כמו גם העברת אותות אור, כולם מדומים בתכנון מוליך גל אופטי.
התקן מוליך הגל מתואר בחלק אחד של נתוני הכניסה לפי הגיאומטריה שלו, גורמי הייצור וקבועי החומר שלו.
באופן אידיאלי יש להזין את נתוני מוליך הגל באמצעות פריסת פרויקט עם תוכנה שיכולה לנהל גם פרמטרים של ייצור.
להגדרת חישובים מספריים, הזנת נתונים כוללת גם רכיב נוסף. בעולם מושלם, מערכות קלט יסתירו או מגבילות את הפרטים של החישוב המספרי.
אבל מכיוון שמודלים של מולי גלים עושים שימוש תדיר בהליכים מספריים מורכבים, עליך להכיר כמה אלמנטים של המספריות הבסיסיות.
מעגלים פוטוניים בנויים באמצעות מובילי גל. בניצב למסלול לאורך מרכז מוליך הגלים נמצאת ההגדרה של רוחב מוליך גל, בין אם קבוע או משתנה.
המנהל הבסיסי של מוליך גלים אופטי
כפי שמוצג בתמונה, ניתן להשתמש במושגים אופטיים גיאומטריים או קרניים כדי להעביר את הרעיונות הבסיסיים העומדים בבסיס מובילי גל אופטיים.
שבירה הוא התהליך שבו אור שנכנס לחומר בעל מקדם שבירה גבוה מתכופף לכיוון הנורמלי.
שקול את המקרה של אור שנכנס לזכוכית מהאוויר. בדומה לאופן שבו אור נע לכיוון השני, מזכוכית לאוויר, עוקבים באותו מסלול וחורג מהרגיל. עקב סימטריה של היפוך זמן, התוצאה היא. אפשר למפות כל קרן באוויר לקרן בזכוכית.
קיימת מערכת יחסים של אחד לאחד. אבל חלק מקרני האור בזכוכית מתפספסות בגלל השבירה. השתקפות פנימית מוחלטת, הלוכדת את האור הנותר בזכוכית, היא המנגנון הפועל.
בזווית מעל הזווית הקריטית, הם פוגעים במגע זכוכית-אוויר. בניסוחים מתוחכמים יותר הבנויים על הפונקציה של גרין, קרניים נוספות אלו מתואמות לצפיפות גדולה יותר של מצבים.
במוליך גל דיאלקטרי, אנו יכולים ללכוד ולכוון את האור באמצעות השתקפות פנימית מוחלטת. קרני אור אדום מחזירות את המשטח העליון והתחתון של המדיום בעל אינדקס גבוה.
כל עוד הלוח מתכופף בהדרגה, ניתן לכוון אותו גם כאשר הוא מתעקל או מתכופף. האור מונחה לאורך ליבת זכוכית בעלת אינדקס גבוה בחיפוי זכוכית בעל אינדקס נמוך יותר לפי עיקרון יסוד זה בסיבים אופטיים.
פעולת מוליך הגל מתוארת רק באופן גס על ידי אופטיקה של קרניים. לתיאור שדה מלא של מוליך גל דיאלקטרי, ניתן לפתור את המשוואות של מקסוול בצורה אנליטית או מספרית.
דוגמה למוביל גל אופטי
מובילי גל של לוח דיאלקטרי, הידוע גם בשם מובילי גל מישוריים, הם אולי הסוג הבסיסי ביותר של מובילי גל אופטיים.
רשתות מוליכי גל ערכות, מסננים אקוסטו-אופטיים ומאפננים הם רק כמה התקנים על-שבב שיכולים להשתמש במובילי גל של לוחות בגלל הפשטות שלהם.
מובילי גלים של לוחות משמשים לעתים קרובות גם כדגמי צעצועים.
שלוש שכבות של חומרים, שלכל אחת מהן קבוע דיאלקטרי מובהק, משולבות ליצירת מוליך הגל של הלוח, שיכול להימשך ללא הגבלת זמן בכיוונים מקבילים לממשקים ביניהם.
אם לשכבה המרכזית יש מקדם שבירה גבוה יותר מהשכבות החיצוניות, האור נכלל בשכבה האמצעית באמצעות השתקפות פנימית מוחלטת.
כמה דוגמאות של מוביל גל דו-מימדי
פס מוביל גל
בעצם, רצועה מהשכבה שנדחסת בין שכבות חיפוי היא המרכיבה מוליך גל רצועה.
השכבה המנחה של מוליך הגל מוגבלת בשני הכיוונים הרוחביים ולא רק באחד, וכתוצאה מכך הדוגמה הפשוטה ביותר של מוליך גל מלבני. גם מעגלים אופטיים משולבים וגם דיודות לייזר משתמשים במובילי גל מלבניים.
לעתים קרובות הם משמשים כבסיס לחלקים אופטיים כגון אינטרפרומטרים של מאך-זהנדר ומרבבי חלוקת אורך גל. פעמים רבות, מובילי גל אופטיים מלבניים משמשים לבניית חללים של דיודות לייזר.
טכניקה מישורית משמשת בדרך כלל ליצירת מוליכי גל אופטיים בעלי צורה מלבנית.
מוליך גל צלעות
במוליך גל צלעות, השכבה המנחה היא בעצם לוח עם רצועה (או רצועות מרובות) מעליו.
במבני צלעות רב-שכבתיים, ריתוק כמעט אחדות אפשרי וכן כליאה של הגל בשני מימדים במובילי גל צלעות.
מוליך גל קריסטל פוטוני ומוליך גל מפולח
לאורך נתיב ההתפשטות שלהם, מוליכי גל אופטיים בדרך כלל שומרים על חתך רוחב קבוע. זה המצב, למשל, עם מובילי גל רצועה וצלעות.
על ידי שימוש במה שנקרא מצבי Bloch, למובילי גל יכולים להיות גם שינויים תקופתיים בחתך הרוחב שלהם ובכל זאת להעביר אור ללא כל אובדן.
מוליכי גל אלו מסווגים כמוליכי גל גבישיים פוטוניים (עם דפוס דו-ממדי או תלת-ממדי) או מוליכי גל מפולחים (עם דפוס דו-ממדי לאורך כיוון ההתפשטות).
מוליך גל עם חריטת לייזר
תעשיית הפוטוניקה היא המקום בו מוליכי גל אופטיים הם השימושיים ביותר. אינטגרציה בין שבבים חשמליים וסיבים אופטיים מתאפשרת על ידי הגדרת מובילי הגלים בחלל תלת מימד.
ניתן להפיץ מצב יחיד של אור אינפרא אדום באורכי גל טלקומוניקציה באמצעות מוליכי גל כאלה, המוגדרים גם לשאת אותות אופטיים בין אתרי כניסה ויציאה עם אובדן קטן ביותר.
שימושים במוליך גל אופטי
במערכות תקשורת, שידור ורדאר במיקרוגל, מוליך גל הוא קו הזנה אלקטרומגנטי. מוליך גל עשוי מצינור או צינור מתכת שהוא מלבני או גלילי.
השדה האלקטרומגנטי מתפשט לאורך. אנטנות צופר וצלחת הם היישומים האופייניים ביותר של מוליך גל.
סיב אופטי - האם זה מוליך גל?
השתקפות פנימית מוחלטת, השולטת על אופן פעולת סיב אופטי, יכולה להיחשב כמוווה גל אור.
אם זווית הפגיעה גדולה מהזווית הקריטית, השתקפות פנימית מוחלטת מתרחשת כאשר גל מתפשט נתקל בגבול בין שני חומרים שונים.
סיכום
לסיכום, מוליך גל אופטי הוא מבנה ש"מנחה" גל אור בכך שהוא מונע ממנו לנוע בכיוון שונה מזה הרצוי. בתעשייה הרפואית, סיבים אופטיים משמשים לעתים קרובות הן לאבחון והן לטיפול.
גדילים גמישים העשויים מסיבים אופטיים יכולים להיות ממוקמים לתוך הריאות, עורקי הדם ואיברים אחרים. צינור ארוך אחד מכיל שני צרורות של סיבים אופטיים בתוך אנדוסקופ, מכשיר רפואי.
תמונה מפורטת נוצרת על ידי הפניית האור לעבר הרקמה הנבדקת בצרור אחד תוך קבלת אור המוחזר ממנה בצרור השני. ניתן להכין אנדוסקופים לבדיקת חלקי גוף או מפרקים מסוימים, כגון הברכיים.
השאירו תגובה