광 스펙트럼에서 전자기파를 지향시키는 물리적 물체를 광 도파관이라고 합니다.
광섬유뿐만 아니라 플라스틱과 유리로 구성된 투명 유전체 도파관은 광 도파관의 대표적인 형태입니다.
빛이 전파될 수 있는 공간 범위는 빛을 전달하기 위한 공간적으로 불균일한 장치인 광 도파관에 의해 제한됩니다.
일반적으로 도파관에는 굴절률이 주변 매질보다 높은 부분(클래딩이라고 함)이 있습니다.
이 기사에서는 광 도파관의 원리, 몇 가지 예 등을 살펴보겠습니다.
광도파로 소개
광자 장치의 기본 빌딩 블록은 광 신호를 지시, 결합, 전환, 분할, 다중화 및 역다중화하는 광 도파관입니다.
마이크로일렉트로닉스, 패시브 도파관, 전기광학 부품, 송신기, 수신기 및 구동 전자공학과 유사한 평면 기술을 사용하여 모두 단일 칩에 결합할 수 있습니다.
도파관 장치의 성능은 기능이 광범위하게 연구되고 이해되었다는 사실에도 불구하고 기하학, 파장, 초기 필드 분포, 재료 정보 및 전기 광학 구동 조건을 포함한 다양한 요인에 따라 달라집니다.
가제트를 만들기 전에 특정 매개변수를 조정해야 합니다. 칩을 만드는 데 너무 많은 리소스가 필요하기 때문에 대규모 광전자 회로에는 정밀한 모델링이 필수적입니다.
광 신호 전송뿐만 아니라 도파관 모드, 모드 결합, 손실 및 이득은 모두 광 도파관 설계에서 시뮬레이션됩니다.
도파관 장치는 기하학, 제조 요소 및 재료 상수로 입력 데이터의 한 섹션에 설명되어 있습니다.
도파관 데이터는 이상적으로는 제조 매개변수도 관리할 수 있는 소프트웨어와 함께 프로젝트 레이아웃을 사용하여 입력해야 합니다.
수치 계산을 설정하기 위해 데이터 입력에는 다른 구성 요소도 포함됩니다. 완벽한 세계에서 입력 시스템은 수치 계산의 세부 사항을 숨기거나 제한합니다.
그러나 도파관 모델링은 복잡한 수치 절차를 자주 사용하므로 기본 수치의 일부 요소에 익숙해야 합니다.
광자 회로는 도파관을 사용하여 구성됩니다. 도파관 중심을 따라 경로에 수직은 고정 또는 변경 여부에 관계없이 도파관 너비의 정의입니다.
광도파로의 기본 원리
그림에서 볼 수 있듯이 기하학적 또는 광선 광학 개념을 사용하여 광학 도파관을 뒷받침하는 기본 아이디어를 전달할 수 있습니다.
굴절은 굴절률이 더 높은 물질로 들어오는 빛이 법선 쪽으로 구부러지는 과정입니다.
빛이 공기에서 유리로 들어오는 경우를 생각해 보십시오. 빛이 유리에서 공기로 다른 방향으로 이동하는 것과 마찬가지로 동일한 경로를 따르고 평소와 다릅니다. 시간 역전 대칭으로 인해 이러한 결과가 나타납니다. 공기 중의 각 광선을 유리 안의 광선으로 매핑하는 것이 가능합니다.
일대일 관계가 존재합니다. 그러나 유리의 일부 광선은 굴절로 인해 놓칩니다. 유리에 남아 있는 빛을 가두는 내부 전반사가 작동하는 메커니즘입니다.
임계각 이상의 각도에서 유리-공기 접촉에 입사합니다. Green의 기능을 기반으로 하는 보다 정교한 공식에서 이러한 추가 광선은 더 큰 상태 밀도와 상관 관계가 있습니다.
유전체 도파관에서 내부 전반사를 사용하여 빛을 포착하고 지시할 수 있습니다. 적색 광선은 높은 굴절률 매체의 상단 및 하단 표면에서 반사됩니다.
슬래브가 서서히 휘어지기만 하면 휘거나 휘어도 방향을 잡을 수 있다. 빛은 광섬유의 기본 원리에 따라 낮은 굴절률의 유리 클래딩에서 높은 굴절률의 유리 코어를 따라 안내됩니다.
도파관 작동은 광선 광학으로 대략적으로만 묘사됩니다. 유전체 도파관에 대한 전체 필드 설명의 경우 Maxwell 방정식을 분석적으로 또는 수치적으로 풀 수 있습니다.
광도파로의 예
평면 도파관으로도 알려진 유전체 슬래브 도파관은 아마도 가장 기본적인 종류의 광 도파관일 것입니다.
배열 도파관 격자, 음향 광학 필터 및 변조기는 단순성 때문에 슬래브 도파관을 사용할 수 있는 몇 가지 온칩 장치에 불과합니다.
슬래브 도파관은 장난감 모델로도 자주 사용됩니다.
각각 고유한 유전 상수를 갖는 XNUMX개의 재료 층이 결합되어 슬래브 도파관을 형성하며, 이 도파관은 이들 사이의 경계면에 평행한 방향으로 무기한 확장될 수 있습니다.
중앙층이 외부층보다 굴절률이 높으면 내부 전반사를 통해 빛이 중간층에 포함됩니다.
2차원 도파관의 몇 가지 예
스트립 도파관
기본적으로, 클래딩 층 사이에 압착된 층의 스트립이 스트립 도파관을 구성하는 것입니다.
슬래브 도파관의 가이딩 레이어는 하나가 아닌 두 횡방향으로 제한되어 있어 직사각형 도파관의 가장 간단한 예가 됩니다. 집적 광 회로와 레이저 다이오드 모두 직사각형 도파관을 사용합니다.
그들은 종종 Mach-Zehnder 간섭계 및 파장 분할 멀티플렉서와 같은 광학 부품의 기초 역할을 합니다. 여러 번 직사각형 광 도파관은 레이저 다이오드의 공동을 만드는 데 사용됩니다.
평면 기술은 일반적으로 직사각형 모양의 광 도파관을 만드는 데 사용됩니다.
리브 도파관
리브 도파관에서 가이딩 레이어는 기본적으로 그 위에 스트립(또는 여러 스트립)이 겹쳐진 슬래브입니다.
다층 리브 구조에서는 리브 도파관에서 XNUMX차원으로 파동을 가두는 것뿐만 아니라 거의 단일에 가까운 가둠이 가능합니다.
광결정 도파관 및 분할 도파관
전파 경로를 따라 광 도파관은 일반적으로 일정한 단면을 유지합니다. 예를 들어 스트립 및 리브 도파관의 경우가 그렇습니다.
소위 Bloch 모드를 사용하여 도파관은 단면에서 주기적인 변화를 가지면서도 손실 없이 빛을 전달할 수 있습니다.
이러한 도파관은 광결정 도파관(2D 또는 3D 패터닝 포함) 또는 분할 도파관(전파 방향을 따라 1D 패터닝 포함)으로 분류됩니다.
레이저 내접 도파관
포토닉스 산업은 광 도파관이 가장 유용한 분야입니다. 전기 칩과 광섬유 간의 통합은 3D 공간에서 도파관을 설정하여 가능합니다.
통신 파장에서 적외선의 단일 모드는 이러한 도파관을 사용하여 전파될 수 있으며, 이 도파관도 매우 적은 손실로 입력 사이트와 출력 사이트 간에 광 신호를 전달하도록 설정됩니다.
광 도파관 사용
마이크로파 통신, 방송 및 레이더 시스템에서 도파관은 전자기 급전선입니다. 도파관은 직사각형 또는 원통형 금속 파이프 또는 튜브로 만들어집니다.
전자기장은 세로로 퍼집니다. 혼 및 접시 안테나는 가장 일반적인 도파관 애플리케이션입니다.
광섬유 - 도파관입니까?
광섬유의 기능을 결정하는 내부 전반사는 광 도파관으로 생각할 수 있습니다.
입사각이 임계각보다 크면 전파하는 파동이 서로 다른 두 물질 사이의 경계를 만날 때 내부 전반사가 발생합니다.
결론
결론적으로 광 도파관은 광파가 원하는 방향과 다른 방향으로 진행하는 것을 방지하여 "가이드"하는 구조입니다. 의료 산업에서 광섬유는 진단과 치료 모두에 자주 사용됩니다.
광섬유로 만든 유연한 가닥은 폐, 동맥 및 기타 기관에 삽입할 수 있습니다. 하나의 긴 튜브에는 의료 기기인 내시경 내부에 두 개의 광섬유 다발이 들어 있습니다.
한 묶음에서 테스트 중인 조직 쪽으로 빛을 향하게 하고 다른 묶음에서 반사된 빛을 받아 상세한 그림이 생성됩니다. 무릎과 같은 특정 신체 부위나 관절을 검사하기 위해 내시경을 만들 수 있습니다.
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