Inhoudsopgave[Zich verstoppen][Laten zien]
Een fysiek object dat elektromagnetische golven in het optische spectrum stuurt, wordt een optische golfgeleider genoemd.
Transparante diëlektrische golfgeleiders bestaande uit plastic en glas, evenals optische vezels, zijn typische vormen van optische golfgeleiders.
Het ruimtelijke bereik waarbinnen licht zich kan voortplanten, wordt beperkt door een optische golfgeleider, een ruimtelijk inhomogeen apparaat om licht te sturen.
Typisch heeft een golfgeleider een sectie waar de brekingsindex hoger is dan het omringende medium (cladding genoemd).
In dit artikel zullen we de principes van de optische golfgeleider onderzoeken, enkele voorbeelden en nog veel meer.
Inleiding tot optische golfgeleider
De fundamentele bouwstenen van fotonische apparaten zijn optische golfgeleiders, die optische signalen sturen, koppelen, schakelen, verdelen, multiplexen en demultiplexen.
Met behulp van planaire technologie, die verwant is aan micro-elektronica, kunnen passieve golfgeleiders, elektro-optische componenten, zenders, ontvangers en aandrijfelektronica allemaal worden gecombineerd op een enkele chip.
De prestaties van golfgeleiders zijn afhankelijk van verschillende factoren, waaronder geometrie, golflengte, initiële veldverdeling, materiaalinformatie en elektro-optische rijomstandigheden, ondanks het feit dat hun werking uitgebreid is bestudeerd en begrepen.
Voordat u een gadget maakt, moeten bepaalde parameters worden afgestemd. Omdat er zoveel middelen nodig zijn om een chip te maken, is nauwkeurige modellering essentieel voor grootschalige opto-elektronische circuits.
Golfgeleidermodi, moduskoppeling, verlies en versterking, evenals de transmissie van lichtsignalen, worden allemaal gesimuleerd in het ontwerp van optische golfgeleiders.
Het golfgeleiderapparaat wordt in een deel van de invoergegevens beschreven door zijn geometrie, fabricagefactoren en materiaalconstanten.
De golfgeleidergegevens moeten idealiter worden ingevoerd met behulp van een projectlay-out met software die ook productieparameters kan beheren.
Voor het instellen van numerieke berekeningen omvat het invoeren van gegevens ook een ander onderdeel. In een perfecte wereld zouden invoersystemen de bijzonderheden van de numerieke berekening verbergen of beperken.
Maar aangezien golfgeleidermodellering vaak gebruik maakt van complexe numerieke procedures, moet u bekend zijn met enkele elementen van de onderliggende numeriek.
Fotonische circuits worden geconstrueerd met behulp van golfgeleiders. Loodrecht op de route langs het centrum van de golfgeleider is de definitie van de breedte van een golfgeleider, vast of veranderend.
Basisprincipe van optische golfgeleider:
Zoals te zien is in de afbeelding, kunnen geometrische of straaloptica-concepten worden gebruikt om de fundamentele ideeën over te brengen die ten grondslag liggen aan optische golfgeleiders.
Breking is het proces waarbij licht dat een materiaal binnenkomt met een hogere brekingsindex naar de normaal buigt.
Beschouw het geval van licht dat vanuit de lucht glas binnendringt. Vergelijkbaar met hoe licht de andere kant op beweegt, van glas naar lucht, dezelfde route volgt en afwijkt van het gebruikelijke. Vanwege de tijdomkeersymmetrie is dit het resultaat. Het is mogelijk om elke straal in de lucht in kaart te brengen op een straal in het glas.
Er bestaat een één-op-één relatie. Maar sommige lichtstralen in het glas worden gemist door breking. Totale interne reflectie, die het resterende licht in het glas opsluit, is het mechanisme dat aan het werk is.
Onder een hoek boven de kritische hoek vallen ze op het glas-luchtcontact. In meer geavanceerde formuleringen gebaseerd op de functie van Green, correleren deze extra stralen met een grotere dichtheid van toestanden.
In een diëlektrische golfgeleider kunnen we het licht opvangen en richten door gebruik te maken van totale interne reflectie. Rode lichtstralen weerkaatsen van de boven- en onderkant van het medium met hoge index.
Zolang de plaat geleidelijk buigt, kan deze worden gericht, zelfs wanneer deze buigt of buigt. Licht wordt geleid langs een glaskern met hoge index in een glasbekleding met lagere index volgens dit fundamentele principe in glasvezel.
De werking van de golfgeleider wordt slechts ruw weergegeven door straaloptiek. Voor een volledige beschrijving van een diëlektrische golfgeleider kunnen de vergelijkingen van Maxwell analytisch of numeriek worden opgelost.
Voorbeeld van optische golfgeleider
Diëlektrische plaatgolfgeleiders, ook wel vlakke golfgeleiders genoemd, zijn misschien wel de meest basale soort optische golfgeleiders.
Gegroepeerde golfgeleiderroosters, akoesto-optische filters en modulatoren zijn slechts enkele on-chip apparaten die plaatgolfgeleiders kunnen gebruiken vanwege hun eenvoud.
Plaatgolfgeleiders worden ook vaak gebruikt als speelgoedmodel.
Drie lagen materialen, elk met een duidelijke diëlektrische constante, worden gecombineerd om de plaatgolfgeleider te vormen, die zich onbeperkt kan uitstrekken in richtingen evenwijdig aan de interfaces ertussen.
Als de centrale laag een hogere brekingsindex heeft dan de buitenste lagen, wordt het licht in de middelste laag vastgehouden door totale interne reflectie.
Enkele voorbeelden van de 2-dimensionale golfgeleider
Strip golfgeleider
Kortom, een strook van de laag die tussen de bekledingslagen wordt geperst, vormt een strookgolfgeleider.
De geleidingslaag van de plaatgolfgeleider is beperkt in beide transversale richtingen in plaats van slechts één, wat resulteert in het eenvoudigste voorbeeld van een rechthoekige golfgeleider. Zowel geïntegreerde optische schakelingen als laserdiodes maken gebruik van rechthoekige golfgeleiders.
Ze dienen vaak als basis voor optische onderdelen zoals Mach-Zehnder-interferometers en multiplexers met golflengteverdeling. Vaak worden rechthoekige optische golfgeleiders gebruikt om de holtes van laserdiodes te bouwen.
Een vlakke techniek wordt typisch gebruikt om optische golfgeleiders met een rechthoekige vorm te creëren.
Rib golfgeleider
In een ribgolfgeleider is de geleidingslaag in wezen een plaat met daarop een strook (of meerdere stroken).
In meerlaagse ribstructuren is bijna-eenheid opsluiting mogelijk, evenals opsluiting van de golf in twee dimensies in ribgolfgeleiders.
Fotonische kristalgolfgeleider en gesegmenteerde golfgeleider
Langs hun voortplantingspad behouden optische golfgeleiders normaal gesproken een constante doorsnede. Dit is bijvoorbeeld het geval bij strip- en ribgolfgeleiders.
Door gebruik te maken van zogenaamde Bloch-modi kunnen golfgeleiders ook periodieke variaties in hun doorsnede hebben en toch licht doorlaten zonder enig verlies.
Deze golfgeleiders worden geclassificeerd als fotonische kristalgolfgeleiders (met een 2D- of 3D-patroon) of gesegmenteerde golfgeleiders (met een 1D-patroon langs de voortplantingsrichting).
Met laser ingeschreven golfgeleider
In de fotonica-industrie zijn optische golfgeleiders het nuttigst. Integratie tussen elektrische chips en optische vezels wordt mogelijk gemaakt door de golfgeleiders in de 3D-ruimte op te stellen.
Een enkele modus van infrarood licht op telecommunicatiegolflengten kan worden gepropageerd met behulp van dergelijke golfgeleiders, die ook zijn ingesteld om optische signalen tussen invoer- en uitvoerlocaties te transporteren met extreem weinig verlies.
Gebruik van optische golfgeleiders
In microgolfcommunicatie-, omroep- en radarsystemen is een golfgeleider een elektromagnetische voedingslijn. Een golfgeleider is gemaakt van een metalen pijp of buis die rechthoekig of cilindrisch is.
Het elektromagnetische veld spreidt zich longitudinaal uit. Hoorn- en schotelantennes zijn de meest typische golfgeleidertoepassingen.
Optische vezel - is het een golfgeleider?
Totale interne reflectie, die bepaalt hoe optische vezels werken, kan worden gezien als een lichtgolfgeleider.
Als de invalshoek groter is dan de kritische hoek, treedt totale interne reflectie op wanneer een zich voortplantende golf de grens tussen twee verschillende materialen tegenkomt.
Conclusie
Kortom, een optische golfgeleider is een structuur die een lichtgolf "geleidt" door te voorkomen dat deze zich in een andere richting beweegt dan gewenst. In de medische industrie worden optische vezels veelvuldig gebruikt voor zowel diagnose als therapie.
Flexibele strengen gemaakt van optische vezels kunnen in de longen, bloedvaten en andere organen worden geplaatst. Een lange buis bevat twee bundels optische vezels in een endoscoop, een medisch hulpmiddel.
Er wordt een gedetailleerd beeld gecreëerd door licht in de ene bundel op het te testen weefsel te richten, terwijl het in de andere bundel gereflecteerde licht ontvangt. Endoscopen kunnen worden gemaakt om bepaalde lichaamsdelen of gewrichten, zoals de knieën, te onderzoeken.
Laat een reactie achter