Saturs[Paslēpt][Rādīt]
Fizisku objektu, kas virza elektromagnētiskos viļņus optiskajā spektrā, sauc par optisko viļņvadu.
Caurspīdīgi dielektriski viļņvadi, kas sastāv no plastmasas un stikla, kā arī optiskās šķiedras, ir tipiskas optisko viļņvadu formas.
Telpisko diapazonu, kurā gaisma var izplatīties, ierobežo optiskais viļņvads, kas ir telpiski neviendabīga ierīce gaismas virzīšanai.
Parasti viļņvadam ir sadaļa, kurā laušanas koeficients ir augstāks par apkārtējo vidi (to sauc par apšuvumu).
Šajā rakstā mēs apskatīsim optiskā viļņvada principus, dažus piemērus un daudz ko citu.
Ievads optiskajā viļņvadā
Fotonisko ierīču pamatelementi ir optiskie viļņvadi, kas virza, savieno, pārslēdz, dala, multipleksus un demultipleksus optiskos signālus.
Izmantojot plakanu tehnoloģiju, kas ir līdzīga mikroelektronikai, pasīvos viļņvadus, elektrooptiskos komponentus, raidītājus, uztvērējus un braukšanas elektroniku var apvienot vienā mikroshēmā.
Viļņvada ierīču veiktspēja ir atkarīga no dažādiem faktoriem, tostarp ģeometrijas, viļņa garuma, sākotnējā lauka sadalījuma, materiāla informācijas un elektrooptiskajiem braukšanas apstākļiem, neskatoties uz to, ka to darbība ir plaši pētīta un izprasta.
Pirms sīkrīka izgatavošanas ir jānoregulē noteikti parametri. Tā kā mikroshēmas izveidei ir nepieciešami tik daudz resursu, liela mēroga optoelektroniskajām shēmām ir būtiska precīza modelēšana.
Viļņvada režīmi, režīmu savienošana, zudumi un pastiprināšana, kā arī gaismas signālu pārraide ir simulēti optiskā viļņvada dizainā.
Viļņvada ierīce ir aprakstīta vienā ievaddatu sadaļā pēc tās ģeometrijas, ražošanas faktoriem un materiāla konstantēm.
Ideālā gadījumā viļņvada datus vajadzētu ievadīt, izmantojot projekta izkārtojumu ar programmatūru, kas var arī pārvaldīt ražošanas parametrus.
Skaitlisku aprēķinu iestatīšanai datu ievade ietver arī citu komponentu. Ideālā pasaulē ievades sistēmas slēptu vai ierobežotu skaitliskās aprēķina specifiku.
Taču, tā kā viļņvada modelēšanā bieži tiek izmantotas sarežģītas skaitliskās procedūras, jums ir jāpārzina daži pamatā esošo skaitļu elementi.
Fotoniskās shēmas tiek konstruētas, izmantojot viļņvadus. Perpendikulāri maršrutam gar viļņvada centru ir viļņvada platuma definīcija neatkarīgi no tā, vai tas ir fiksēts vai mainīgs.
Optiskā viļņvada pamatprincips
Kā parādīts attēlā, ģeometriskās vai staru optikas koncepcijas var izmantot, lai nodotu pamatidejas, kas ir optisko viļņvadu pamatā.
Refrakcija ir process, kurā gaisma, kas nonāk materiālā ar augstāku laušanas koeficientu, noliecas pret normālu.
Apsveriet gadījumu, kad gaisma no gaisa iekļūst stiklā. Līdzīgi kā gaisma, kas pārvietojas uz otru pusi, no stikla uz gaisu, iet pa to pašu maršrutu un novirzās no ierastā. Tā rezultātā notiek laika maiņas simetrija. Katru gaisā esošo staru ir iespējams kartēt ar staru stiklā.
Pastāv individuālas attiecības. Bet daži gaismas stari stiklā tiek izlaisti refrakcijas dēļ. Pilnīga iekšējā atstarošana, kas aiztur atlikušo gaismu stiklā, ir mehānisms, kas darbojas.
Leņķī virs kritiskā leņķa tie krīt uz stikla un gaisa kontakta. Sarežģītākos formulējumos, kas balstīti uz Grīna funkciju, šie papildu stari korelē ar lielāku stāvokļu blīvumu.
Dielektriskā viļņvadā mēs varam uztvert un virzīt gaismu, izmantojot kopējo iekšējo atstarošanos. Sarkanie gaismas stari atstaro augsta indeksa vides augšējās un apakšējās virsmas.
Kamēr plāksne liecas pakāpeniski, to var virzīt pat tad, kad tā izliekas vai liecas. Gaisma tiek vadīta pa augsta indeksa stikla serdi zemāka indeksa stikla apšuvumā saskaņā ar šo optiskās šķiedras pamatprincipu.
Viļņvada darbību tikai aptuveni attēlo staru optika. Dielektriskā viļņvada pilna lauka aprakstam Maksvela vienādojumus var atrisināt analītiski vai skaitliski.
Optiskā viļņvada piemērs
Dielektriskie plātņu viļņvadi, kas pazīstami arī kā plakani viļņvadi, iespējams, ir visvienkāršākais optisko viļņvadu veids.
Izkārtoti viļņvadu režģi, akustiski-optiskie filtri un modulatori ir tikai dažas mikroshēmā iebūvētas ierīces, kurās to vienkāršības dēļ var izmantot plātņu viļņvadus.
Plātņu viļņvadi bieži tiek izmantoti arī kā rotaļlietu modeļi.
Trīs materiālu slāņi, kuriem katram ir atšķirīga dielektriskā konstante, ir apvienoti, veidojot plātnes viļņvadu, kas var neierobežoti izstiepties virzienos, kas ir paralēli saskarnēm starp tiem.
Ja centrālajam slānim ir augstāks laušanas koeficients nekā ārējiem slāņiem, gaisma tiek ietverta vidējā slānī caur kopējo iekšējo atstarošanos.
Daži 2-dimensiju viļņvada piemēri
Sloksnes viļņvads
Būtībā slāņa sloksne, kas ir iespiesta starp apšuvuma slāņiem, veido sloksnes viļņvadu.
Plātnes viļņvada vadošais slānis ir ierobežots abos šķērsvirzienos, nevis vienkārši vienā, kā rezultātā tiek iegūts vienkāršākais taisnstūra viļņvada piemērs. Gan integrētajās optiskajās shēmās, gan lāzera diodēs tiek izmantoti taisnstūrveida viļņvadi.
Tie bieži kalpo par pamatu optiskām daļām, piemēram, Mach-Zehnder interferometriem un viļņu garuma dalīšanas multipleksoriem. Daudzas reizes lāzera diožu dobumu veidošanai tiek izmantoti taisnstūrveida optiskie viļņvadi.
Plakanu metodi parasti izmanto, lai izveidotu optiskos viļņvadus ar taisnstūra formu.
Ribas viļņvads
Rievu viļņvadā vadošais slānis būtībā ir plāksne ar sloksni (vai vairākām sloksnēm), kas pārklāta virs tās.
Daudzslāņu ribu konstrukcijās ir iespējama gandrīz vienota ierobežošana, kā arī viļņa ierobežošana divās dimensijās ribu viļņvados.
Fotoniskā kristāla viļņvads un segmentēts viļņvads
Pa izplatīšanās ceļu optiskajiem viļņvadiem parasti ir nemainīgs šķērsgriezums. Tāda ir situācija, piemēram, ar sloksnes un ribu viļņvadiem.
Izmantojot tā sauktos Bloha režīmus, viļņvadiem var būt arī periodiskas šķērsgriezuma izmaiņas, un tie tomēr pārraida gaismu bez zaudējumiem.
Šos viļņvadus klasificē kā fotonisku kristālu viļņvadus (ar 2D vai 3D rakstu) vai segmentētus viļņvadus (ar 1D rakstu izplatīšanās virzienā).
Ar lāzeru ierakstīts viļņvads
Fotonikas nozare ir vieta, kur optiskie viļņvadi ir visnoderīgākie. Elektrisko mikroshēmu un optisko šķiedru integrācija ir iespējama, uzstādot viļņvadus 3D telpā.
Vienu infrasarkanās gaismas režīmu telekomunikāciju viļņu garumā var izplatīt, izmantojot šādus viļņvadus, kas arī ir iestatīti optisko signālu pārnešanai starp ievades un izvades vietām ar ārkārtīgi maziem zudumiem.
Optisko viļņvadu izmantošana
Mikroviļņu sakaru, apraides un radaru sistēmās viļņvads ir elektromagnētiskā padeves līnija. Viļņvads ir izgatavots no metāla caurules vai caurules, kas ir taisnstūrveida vai cilindriska.
Elektromagnētiskais lauks izplatās gareniski. Ragas un šķīvju antenas ir tipiskākās viļņvada lietojumprogrammas.
Optiskā šķiedra - vai tas ir viļņvads?
Kopējo iekšējo atstarošanos, kas nosaka optiskās šķiedras darbību, var uzskatīt par gaismas viļņvadu.
Ja krišanas leņķis ir lielāks par kritisko leņķi, tad, kad izplatīšanās vilnis saskaras ar robežu starp diviem dažādiem materiāliem, notiek pilnīga iekšējā atstarošana.
Secinājumi
Noslēgumā jāsaka, ka optiskais viļņvads ir struktūra, kas "vada" gaismas viļņu, neļaujot tam virzīties citā virzienā, nekā tas ir vēlamais. Medicīnas nozarē optiskās šķiedras bieži izmanto gan diagnostikai, gan terapijai.
Elastīgās šķiedras, kas izgatavotas no optiskām šķiedrām, var ievietot plaušās, asins artērijās un citos orgānos. Vienā garā caurulē atrodas divi optisko šķiedru saišķi endoskopa, medicīnas ierīces, iekšpusē.
Detalizēts attēls tiek izveidots, virzot gaismu uz pārbaudāmajiem audiem vienā saišķī, vienlaikus saņemot no tā atstaroto gaismu otrā saišķī. Endoskopus var veikt, lai pārbaudītu noteiktas ķermeņa daļas vai locītavas, piemēram, ceļus.
Atstāj atbildi