光スペクトル内の電磁波を導く物理的物体は、光導波路と呼ばれます。
プラスチックやガラスで構成された透明な誘電体導波路、および光ファイバーは、光導波路の典型的な形態です。
光が伝播できる空間範囲は、光を方向付けるための空間的に不均一なデバイスである光導波路によって制限されます。
通常、導波路には周囲の媒質よりも屈折率が高い部分 (クラッドと呼ばれる) があります。
この記事では、光導波路の原理、いくつかの例などを調べます。
光導波路の紹介
フォトニック デバイスの基本的な構成要素は光導波路であり、光信号を方向付け、結合、切り替え、分割、多重化、および逆多重化します。
マイクロエレクトロニクスに似た平面技術を使用すると、パッシブ導波路、電気光学部品、送信機、受信機、および駆動電子機器をすべて単一のチップに組み合わせることができます。
導波路デバイスの性能は、その機能が広く研究され理解されているにもかかわらず、形状、波長、初期電界分布、材料情報、電気光学駆動条件など、さまざまな要因に依存します。
ガジェットを作成する前に、特定のパラメーターを調整する必要があります。 チップの作成には非常に多くのリソースが必要なため、大規模な光電子回路には正確なモデリングが不可欠です。
導波路モード、モード結合、損失、利得、および光信号の伝送はすべて、光導波路設計でシミュレートされます。
導波路デバイスは、エントリ データの XNUMX つのセクションで、そのジオメトリ、製造要因、および材料定数によって記述されます。
導波管データは、理想的には、製造パラメーターも管理できるソフトウェアを使用してプロジェクト レイアウトを使用して入力する必要があります。
数値演算の設定では、データの入力には別の要素も含まれます。 完璧な世界では、入力システムは数値計算の詳細を隠したり制限したりします。
しかし、導波管のモデル化では複雑な数値手順が頻繁に使用されるため、基礎となる数値のいくつかの要素に精通している必要があります。
光回路は、導波路を使って構築されます。 導波路の中心に沿ったルートに垂直に、導波路の幅が定義されます。これは、固定または変更されます。
光導波路の基本原理
写真に示されているように、幾何学的または光線光学の概念を使用して、光導波路を支える基本的なアイデアを伝えることができます。
屈折とは、屈折率の高い物質に入射した光が法線方向に曲がるプロセスです。
空気中からガラスに光が入る場合を考えてみましょう。 光がガラスから空気に移動するのと同じように、同じルートをたどり、通常とは異なります。 時間反転対称性により、この結果が得られます。 空気中の各光線をガラス内の光線にマッピングすることができます。
XNUMX 対 XNUMX の関係が存在します。 しかし、ガラス内の光線の一部は、屈折のために失われます。 ガラスの残りの光を閉じ込める全反射が、機能しているメカニズムです。
臨界角を超える角度で、ガラスと空気の接触に入射します。 グリーン関数に基づいて構築されたより洗練された定式化では、これらの追加の光線は、より大きな状態密度に相関します。
誘電体導波路では、内部全反射を使用して光を捕捉して方向付けることができます。 赤い光線は、高屈折率媒体の上面と底面で反射します。
スラブが緩やかに曲がっていれば、反ったり曲がったりしても向きを変えることができます。 光は、光ファイバーのこの基本原理に従って、低屈折率ガラス クラッド内の高屈折率ガラス コアに沿って導かれます。
導波管の動作は、光線光学によって大まかにしか描写されません。 誘電体導波路の完全なフィールド記述については、マクスウェルの方程式を解析的または数値的に解くことができます。
光導波路の例
平面導波路としても知られる誘電体スラブ導波路は、おそらく最も基本的な種類の光導波路です。
アレイ導波路回折格子、音響光学フィルター、および変調器は、単純であるため、スラブ導波路を使用できるオンチップ デバイスのほんの一部です。
スラブ導波路は、おもちゃのモデルとしてもよく使用されます。
それぞれ異なる誘電率を持つ XNUMX つの材料層を組み合わせて、スラブ導波路を形成します。スラブ導波路は、それらの間の界面に平行な方向に無限に延びることができます。
中心層の屈折率が外層よりも高い場合、光は全反射によって中間層に閉じ込められます。
2次元導波路のいくつかの例
ストリップ導波路
基本的に、クラッド層間に押し込まれた層のストリップは、ストリップ導波路を構成するものです。
スラブ導波路のガイド層は、単に XNUMX つではなく両方の横方向に拘束されているため、矩形導波路の最も単純な例が得られます。 集積光回路とレーザー ダイオードの両方で、方形の導波路が使用されます。
それらは、マッハツェンダ干渉計や波長分割マルチプレクサなどの光学部品の基盤として頻繁に機能します。 多くの場合、長方形の光導波路は、レーザー ダイオードのキャビティを構築するために使用されます。
平面技術は、通常、長方形の光導波路を作成するために使用されます。
リブ導波路
リブ導波路では、ガイド層は基本的に、その上にストリップ(または複数のストリップ)が重ねられたスラブです。
多層リブ構造では、ほぼ単一の閉じ込めが可能であり、リブ導波路での二次元での波の閉じ込めも可能です。
フォトニック結晶導波路と分割導波路
伝播経路に沿って、光導波路は通常、一定の断面を保ちます。 これは、たとえば、ストリップおよびリブ導波路の場合です。
いわゆるブロッホモードを使用することにより、導波路は断面積に周期的な変化を持たせながらも、光を損失なく伝送することができます。
これらの導波路は、フォトニック結晶導波路 (2D または 3D パターン) またはセグメント化された導波路 (伝播方向に沿った 1D パターン) として分類されます。
レーザー刻印導波路
フォトニクス産業は、光導波路が最も役立つ場所です。 電気チップと光ファイバー間の統合は、3D空間に導波路を設定することで可能になります。
通信波長の赤外線の単一モードは、そのような導波路を使用して伝播できます。導波路は、入力サイトと出力サイトの間で光信号を非常に少ない損失で運ぶようにも設定されています。
光導波路用途
マイクロ波通信、放送、およびレーダー システムでは、導波管は電磁フィード ラインです。 導波管は、長方形または円筒形の金属パイプまたはチューブでできています。
電磁界は縦方向に広がります。 ホーン アンテナとディッシュ アンテナは、最も一般的な導波管アプリケーションです。
光ファイバーは導波管ですか?
光ファイバの機能を支配する全反射は、光導波路と考えることができます。
入射角が臨界角より大きい場合、伝搬波が XNUMX つの異なる材料間の境界に遭遇すると、全反射が発生します。
まとめ
結論として、光導波路は、光波が必要な方向とは異なる方向に移動するのを防ぐことによって、光波を「導く」構造です。 医療業界では、診断と治療の両方に光ファイバーが頻繁に利用されています。
光ファイバーで作られた柔軟なストランドは、肺、血管、およびその他の臓器に配置できます。 医療機器である内視鏡の内部には、XNUMX 本の長いチューブに XNUMX 束の光ファイバーが収納されています。
詳細な画像は、一方のバンドルでテスト中の組織に光を向け、もう一方のバンドルで反射された光を受け取ることによって作成されます。 内視鏡は、膝などの特定の体の部分や関節を検査するために作成できます。
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