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Um objeto físico que direciona ondas eletromagnéticas no espectro óptico é chamado de guia de ondas óptico.
Guias de onda dielétricos transparentes compostos de plástico e vidro, bem como fibra óptica, são formas típicas de guias de onda ópticos.
A faixa espacial na qual a luz pode se propagar é limitada por um guia de ondas óptico, que é um dispositivo espacialmente não homogêneo para direcionar a luz.
Normalmente, um guia de ondas tem uma seção onde o índice de refração é maior do que o meio circundante (chamado de cladding).
Neste artigo, examinaremos os princípios do guia de ondas óptico, alguns exemplos e muito mais.
Introdução ao guia de ondas óptico
Os blocos de construção fundamentais dos dispositivos fotônicos são os guias de onda ópticos, que direcionam, acoplam, comutam, dividem, multiplexam e desmultiplexam os sinais ópticos.
Usando a tecnologia planar, que é semelhante à microeletrônica, guias de onda passivos, componentes eletroópticos, transmissores, receptores e eletrônicos de acionamento podem ser combinados em um único chip.
O desempenho dos dispositivos de guia de onda depende de uma variedade de fatores, incluindo geometria, comprimento de onda, distribuição inicial do campo, informações do material e condições de condução eletroóptica, apesar de seu funcionamento ter sido amplamente estudado e compreendido.
Antes de fazer um gadget, alguns parâmetros precisam ser ajustados. Como são necessários tantos recursos para criar um chip, a modelagem precisa é essencial para circuitos optoeletrônicos de grande escala.
Modos de guia de onda, acoplamento de modo, perda e ganho, bem como a transmissão de sinais de luz, são todos simulados no projeto de guia de onda óptico.
O dispositivo de guia de onda é descrito em uma seção dos dados de entrada por sua geometria, fatores de fabricação e constantes de material.
Os dados do guia de onda devem, idealmente, ser inseridos usando um layout de projeto com software que também possa gerenciar os parâmetros de fabricação.
Para definir cálculos numéricos, a inserção de dados também inclui outro componente. Em um mundo perfeito, os sistemas de entrada esconderiam ou restringiriam as especificidades da computação numérica.
Mas como a modelagem de guias de onda frequentemente faz uso de procedimentos numéricos complexos, você precisa estar familiarizado com alguns elementos dos números subjacentes.
Os circuitos fotônicos são construídos usando guias de onda. Perpendicular à rota ao longo do centro do guia de ondas está a definição da largura de um guia de ondas, seja fixa ou variável.
Princípio Básico do Guia de Onda Óptico
Conforme mostrado na figura, conceitos geométricos ou de óptica de raios podem ser usados para transmitir as ideias fundamentais que sustentam os guias de ondas ópticos.
A refração é o processo pelo qual a luz que entra em um material com um índice de refração mais alto se inclina em direção à normal.
Considere o caso da luz entrando no vidro pelo ar. Semelhante a como a luz movendo-se para o outro lado, do vidro para o ar, segue a mesma rota e se desvia do habitual. Devido à simetria de reversão de tempo, isso resulta. É possível mapear cada raio no ar para um raio no vidro.
Existe uma relação de um para um. Mas alguns dos raios de luz no vidro são perdidos devido à refração. A reflexão interna total, que retém a luz restante no vidro, é o mecanismo em funcionamento.
Em um ângulo acima do ângulo crítico, eles incidem no contato vidro-ar. Em formulações mais sofisticadas baseadas na função de Green, esses raios adicionais se correlacionam com uma maior densidade de estados.
Em um guia de ondas dielétrico, podemos capturar e direcionar a luz usando reflexão interna total. Os raios de luz vermelha refletem nas superfícies superior e inferior do meio de alto índice.
Desde que a laje se dobre gradualmente, ela pode ser direcionada mesmo quando se curva ou dobra. A luz é guiada ao longo de um núcleo de vidro de alto índice em um revestimento de vidro de baixo índice de acordo com este princípio fundamental em fibra óptica.
A operação do guia de ondas é apenas aproximadamente representada pela óptica de raios. Para uma descrição completa de um guia de ondas dielétrico, as equações de Maxwell podem ser resolvidas analiticamente ou numericamente.
Exemplo de guia de ondas óptico
Guias de ondas de placas dielétricas, também conhecidos como guias de ondas planares, são talvez o tipo mais básico de guias de ondas ópticos.
Grades de guia de onda, filtros acústico-ópticos e moduladores são apenas alguns dispositivos no chip que podem usar guias de onda em placa devido à sua simplicidade.
Guias de ondas de laje também são frequentemente usados como modelos de brinquedo.
Três camadas de materiais, cada uma com uma constante dielétrica distinta, são combinadas para formar a placa guia de ondas, que pode se estender indefinidamente em direções paralelas às interfaces entre elas.
Se a camada central tiver um índice de refração maior do que as camadas externas, a luz fica contida na camada intermediária por meio de reflexão interna total.
Alguns exemplos do guia de ondas bidimensional
Guia de onda de tira
Basicamente, uma tira da camada que é espremida entre as camadas de revestimento é o que compõe um guia de ondas de tira.
A camada guia do guia de ondas de laje é restrita em ambas as direções transversais em vez de simplesmente uma, resultando no exemplo mais simples de um guia de ondas retangular. Ambos os circuitos ópticos integrados e diodos de laser empregam guias de onda retangulares.
Eles freqüentemente servem como base para peças ópticas, como interferômetros Mach-Zehnder e multiplexadores de divisão de comprimento de onda. Muitas vezes, guias de onda ópticos retangulares são usados para construir as cavidades dos diodos de laser.
Uma técnica planar é normalmente usada para criar guias de onda ópticos com uma forma retangular.
Guia de ondas de costela
Em um guia de ondas de costela, a camada guia é essencialmente uma laje com uma tira (ou várias tiras) sobrepostas sobre ela.
Em estruturas de nervuras multicamadas, o confinamento próximo à unidade é possível, bem como o confinamento da onda em duas dimensões em guias de ondas de nervuras.
Guia de ondas de cristal fotônico e guia de ondas segmentado
Ao longo de seu caminho de propagação, os guias de onda ópticos normalmente mantêm uma seção transversal constante. Esta é a situação, por exemplo, com guias de onda de tiras e nervuras.
Usando os chamados modos Bloch, os guias de onda também podem ter variações periódicas em sua seção transversal e ainda transmitir luz sem qualquer perda.
Esses guias de ondas são classificados como guias de ondas de cristal fotônico (com um padrão 2D ou 3D) ou guias de ondas segmentados (com um padrão 1D ao longo da direção de propagação).
Guia de onda com inscrição a laser
A indústria fotônica é onde os guias de onda ópticos são mais úteis. A integração entre chips elétricos e fibras ópticas é possível através da configuração dos guias de onda no espaço 3D.
Um único modo de luz infravermelha em comprimentos de onda de telecomunicações pode ser propagado usando tais guias de onda, que também são configurados para transportar sinais ópticos entre locais de entrada e saída com perda extremamente pequena.
Usos de guia de onda óptico
Em comunicações de microondas, transmissão e sistemas de radar, um guia de onda é uma linha de alimentação eletromagnética. Um guia de ondas é feito de um tubo ou tubo de metal retangular ou cilíndrico.
O campo eletromagnético se espalha longitudinalmente. As antenas de corneta e parabólica são as aplicações mais típicas de guia de onda.
Fibra óptica - é um guia de ondas?
A reflexão interna total, que governa o funcionamento da fibra óptica, pode ser pensada como um guia de ondas de luz.
Se o ângulo de incidência for maior que o ângulo crítico, a reflexão interna total ocorre quando uma onda em propagação encontra a fronteira entre dois materiais diferentes.
Conclusão
Em conclusão, um guia de ondas óptico é uma estrutura que “guia” uma onda de luz impedindo que ela se desloque em uma direção diferente daquela desejada. Na indústria médica, as fibras ópticas são frequentemente utilizadas para diagnóstico e terapia.
Fios flexíveis feitos de fibras ópticas podem ser colocados nos pulmões, artérias sanguíneas e outros órgãos. Um tubo longo abriga dois feixes de fibras ópticas dentro de um endoscópio, um dispositivo médico.
Uma imagem detalhada é criada direcionando a luz para o tecido sob teste em um feixe enquanto recebe a luz refletida dele no outro feixe. Os endoscópios podem ser feitos para examinar certas partes do corpo ou articulações, como os joelhos.
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