Spis treści[Ukryć][Pokazać]
Obiekt fizyczny, który kieruje falami elektromagnetycznymi w widmie optycznym, nazywany jest falowodem optycznym.
Typowymi formami falowodów optycznych są przezroczyste falowody dielektryczne złożone z tworzywa sztucznego i szkła oraz światłowód.
Zasięg przestrzenny, w którym może się rozchodzić światło, jest ograniczony przez falowód optyczny, który jest przestrzennie niejednorodnym urządzeniem do kierowania światła.
Zazwyczaj falowód ma sekcję, w której współczynnik załamania światła jest wyższy niż otaczającego medium (tzw. okładzina).
W tym artykule przeanalizujemy zasady działania falowodu optycznego, kilka przykładów i wiele więcej.
Wprowadzenie do falowodu optycznego
Podstawowymi elementami składowymi urządzeń fotonicznych są falowody optyczne, które kierują, sprzęgają, przełączają, dzielą, multipleksują i demultipleksują sygnały optyczne.
Wykorzystując technologię planarną, zbliżoną do mikroelektroniki, pasywne falowody, elementy elektrooptyczne, nadajniki, odbiorniki i elektronikę sterującą można połączyć w jednym chipie.
Wydajność urządzeń falowodowych zależy od wielu czynników, w tym geometrii, długości fali, początkowego rozkładu pola, informacji o materiałach i warunków prowadzenia elektrooptycznego, pomimo faktu, że ich działanie zostało szeroko zbadane i zrozumiane.
Przed wykonaniem gadżetu należy dostroić niektóre parametry. Ponieważ do stworzenia chipa potrzeba tak wielu zasobów, precyzyjne modelowanie jest niezbędne w przypadku obwodów optoelektronicznych na dużą skalę.
Mody falowodowe, sprzężenie modowe, tłumienie i wzmocnienie, a także transmisja sygnałów świetlnych są symulowane w konstrukcji falowodu optycznego.
Urządzenie falowodowe jest opisane w jednej sekcji danych wejściowych przez jego geometrię, czynniki wytwarzania i stałe materiałowe.
Idealnie byłoby, gdyby dane falowodu były wprowadzane za pomocą układu projektu z oprogramowaniem, które może również zarządzać parametrami produkcyjnymi.
W przypadku ustawiania obliczeń numerycznych wprowadzanie danych obejmuje również inny składnik. W idealnym świecie systemy wejściowe ukrywałyby lub ograniczały specyfikę obliczeń numerycznych.
Ale ponieważ modelowanie falowodowe często wykorzystuje złożone procedury numeryczne, musisz znać niektóre elementy podstawowych danych numerycznych.
Obwody fotoniczne są konstruowane z wykorzystaniem falowodów. Prostopadle do trasy wzdłuż środka falowodu znajduje się definicja szerokości falowodu, niezależnie od tego, czy jest stała, czy zmienna.
Podstawowa zasada falowodu optycznego
Jak pokazano na rysunku, koncepcje geometrii lub optyki promieniowej można wykorzystać do przekazania podstawowych idei leżących u podstaw falowodów optycznych.
Refrakcja to proces, w którym światło wpadające do materiału o wyższym współczynniku załamania załamuje się w kierunku normalnym.
Rozważmy przypadek światła wpadającego do szkła z powietrza. Podobnie jak światło poruszające się w drugą stronę, ze szkła do powietrza, podąża tą samą trasą i odbiega od zwykłego. Wynika to z powodu symetrii odwróconej w czasie. Możliwe jest odwzorowanie każdego promienia w powietrzu na promień w szkle.
Istnieje relacja jeden do jednego. Ale niektóre promienie świetlne w szkle są pomijane z powodu załamania. Całkowite odbicie wewnętrzne, które zatrzymuje pozostałe światło w szkle, to mechanizm działania.
Pod kątem do kąta krytycznego padają na kontakt szkło-powietrze. W bardziej wyrafinowanych sformułowaniach opartych na funkcji Greena te dodatkowe promienie korelują z większą gęstością stanów.
W falowodzie dielektrycznym możemy uchwycić i skierować światło za pomocą całkowitego wewnętrznego odbicia. Czerwone promienie światła odbijają się od górnej i dolnej powierzchni nośnika o wysokim indeksie.
Dopóki płyta wygina się stopniowo, można ją skierować nawet wtedy, gdy jest zakrzywiona lub wygięta. Światło jest prowadzone wzdłuż szklanego rdzenia o wysokim wskaźniku w okładzinie szklanej o niższym wskaźniku, zgodnie z tą podstawową zasadą w światłowodach.
Działanie falowodu jest tylko z grubsza zobrazowane przez optykę promieni. Aby uzyskać opis pełnego pola falowodu dielektrycznego, równania Maxwella można rozwiązywać analitycznie lub numerycznie.
Przykład falowodu optycznego
Dielektryczne falowody płytowe, znane również jako falowody planarne, są prawdopodobnie najbardziej podstawowym rodzajem falowodów optycznych.
Rozmieszczone siatki falowodowe, filtry akustyczno-optyczne i modulatory to tylko kilka urządzeń na chipie, które mogą używać falowodów płytowych ze względu na ich prostotę.
Falowody płytowe są również często używane jako modele zabawek.
Trzy warstwy materiałów, z których każda ma odrębną stałą dielektryczną, są połączone, tworząc falowód płytowy, który może rozciągać się w nieskończoność w kierunkach równoległych do granic między nimi.
Jeżeli warstwa środkowa ma wyższy współczynnik załamania niż warstwy zewnętrzne, światło jest zawarte w warstwie środkowej poprzez całkowite wewnętrzne odbicie.
Kilka przykładów falowodu 2-wymiarowego
Falowód taśmy
Zasadniczo pasek warstwy, który jest wciśnięty między warstwy okładziny, jest tym, co tworzy falowód taśmowy.
Warstwa prowadząca falowodu płyty jest ograniczona w obu kierunkach poprzecznych, a nie tylko w jednym, co daje najprostszy przykład falowodu prostokątnego. Zarówno zintegrowane układy optyczne, jak i diody laserowe wykorzystują prostokątne falowody.
Często służą jako podstawa dla części optycznych, takich jak interferometry Macha-Zehndera i multipleksery z podziałem długości fali. Wielokrotnie do budowy wnęk diod laserowych wykorzystuje się prostokątne falowody optyczne.
Do tworzenia światłowodów o prostokątnym kształcie stosuje się zwykle technikę planarną.
Falowód żebrowy
W falowodzie żebrowym warstwa prowadząca jest zasadniczo płytą z nałożonym na nią paskiem (lub wieloma paskami).
W wielowarstwowych strukturach żebrowych możliwe jest utrzymywanie prawie jedności, a także utrzymywanie fali w dwóch wymiarach w falowodach żebrowych.
Falowód z kryształu fotonicznego i falowód segmentowy
Wzdłuż swojej ścieżki propagacji falowody optyczne zwykle zachowują stały przekrój. Tak jest na przykład w przypadku falowodów taśmowych i żebrowych.
Korzystając z tak zwanych modów Blocha, falowody mogą również mieć okresowe zmiany przekroju, a mimo to przepuszczać światło bez żadnych strat.
Te falowody są klasyfikowane jako falowody z kryształu fotonicznego (z wzorem 2D lub 3D) lub falowody segmentowe (z wzorem 1D wzdłuż kierunku propagacji).
Falowód z wpisanym laserem
W przemyśle fotonicznym falowody optyczne są najbardziej przydatne. Integracja chipów elektrycznych i światłowodów jest możliwa dzięki ustawieniu falowodów w przestrzeni 3D.
Pojedynczy mod światła podczerwonego o długościach fal telekomunikacyjnych może być propagowany za pomocą takich falowodów, które są również skonfigurowane do przenoszenia sygnałów optycznych między miejscami wejściowymi i wyjściowymi z bardzo małymi stratami.
Zastosowania falowodu optycznego
W komunikacji mikrofalowej, nadawaniu i systemach radarowych falowód jest elektromagnetyczną linią zasilającą. Falowód jest wykonany z metalowej rury lub rury, która jest prostokątna lub cylindryczna.
Pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia się wzdłużnie. Anteny tubowe i talerzowe to najbardziej typowe zastosowania falowodów.
Światłowód – czy to falowód?
Całkowite odbicie wewnętrzne, które reguluje funkcjonowanie światłowodu, można traktować jako światłowód.
Jeśli kąt padania jest większy niż kąt krytyczny, całkowite wewnętrzne odbicie występuje, gdy propagująca fala napotyka granicę między dwoma różnymi materiałami.
Wnioski
Podsumowując, falowód optyczny jest strukturą, która „prowadzi” falę świetlną, zapobiegając jej przemieszczaniu się w innym kierunku niż ten, który jest pożądany. W branży medycznej światłowody są często wykorzystywane zarówno do diagnostyki, jak i terapii.
Elastyczne pasma wykonane z włókien optycznych można umieścić w płucach, tętnicach krwi i innych narządach. Jedna długa rurka mieści dwie wiązki światłowodów wewnątrz endoskopu, urządzenia medycznego.
Szczegółowy obraz powstaje poprzez skierowanie światła na badaną tkankę w jednej wiązce i odbiór światła odbitego od niej w drugiej wiązce. Endoskopy można wykonać w celu zbadania niektórych części ciała lub stawów, takich jak kolana.
Dodaj komentarz