Ghid de undă optic

Un obiect fizic care direcționează undele electromagnetice în spectrul optic se numește ghid de undă optic.

Ghidurile de undă dielectrice transparente compuse din plastic și sticlă, precum și fibră optică, sunt forme tipice de ghiduri de undă optice.

Intervalul spațial în care se poate propaga lumina este limitat de un ghid de undă optic, care este un dispozitiv neomogen din punct de vedere spațial pentru dirijarea luminii.

De obicei, un ghid de undă are o secțiune în care indicele de refracție este mai mare decât mediul înconjurător (numit placare).

În acest articol, vom examina principiile ghidului de undă optic, câteva exemple și multe altele.

Introducere în ghidul de undă optice

Elementele de bază ale dispozitivelor fotonice sunt ghidurile de undă optice, care direcționează, cuplează, comută, împart, multiplexează și demultiplexează semnalele optice.

Folosind tehnologia plană, care este asemănătoare cu microelectronica, ghidurile de undă pasive, componentele electrooptice, transmițătoarele, receptoarele și electronicele de conducere pot fi combinate într-un singur cip.

Performanța dispozitivelor de ghidare de undă depinde de o varietate de factori, inclusiv geometria, lungimea de undă, distribuția inițială a câmpului, informațiile despre material și condițiile de conducere electrooptice, în ciuda faptului că funcționarea lor a fost studiată și înțeleasă pe larg.

Înainte de a crea un gadget, anumiți parametri trebuie reglați. Deoarece sunt necesare atât de multe resurse pentru a crea un cip, modelarea precisă este esențială pentru circuitele optoelectronice la scară largă.

Modurile ghidului de undă, modul de cuplare, pierderea și câștigul, precum și transmisia semnalelor luminoase, sunt toate simulate în proiectarea ghidului de undă optic.

Dispozitivul de ghidare de undă este descris într-o secțiune a datelor de intrare prin geometrie, factorii de fabricație și constantele materialelor.

În mod ideal, datele ghidului de undă ar trebui să fie introduse folosind un aspect al proiectului cu software care poate gestiona și parametrii de producție.

Pentru setarea calculelor numerice, introducerea datelor include și o altă componentă. Într-o lume perfectă, sistemele de intrare ar ascunde sau restricționa specificul calculului numeric.

Dar, deoarece modelarea ghidului de undă folosește frecvent proceduri numerice complexe, trebuie să fiți familiarizați cu unele elemente ale cifrelor subiacente.

Circuitele fotonice sunt construite folosind ghiduri de undă. Perpendicular pe traseul de-a lungul centrului ghidului de undă este definiția lățimii unui ghid de undă, indiferent dacă este fixă ​​sau în schimbare.

Principiul de bază al ghidului de undă optic

După cum se arată în imagine, conceptele de optică geometrică sau cu raze pot fi folosite pentru a transmite ideile fundamentale care stau la baza ghidurilor de undă optice.

Refracția este procesul prin care lumina care intră într-un material cu un indice de refracție mai mare se îndoaie spre normal.

Luați în considerare cazul luminii care intră în sticlă din aer. Similar cu modul în care lumina se mișcă în sens invers, de la sticlă la aer, urmează același traseu și se abate de la obișnuit. Datorită simetriei inversării timpului, rezultă acest lucru. Este posibil să mapați fiecare rază din aer cu o rază din sticlă.

Există o relație unu-la-unu. Dar unele dintre razele de lumină din sticlă sunt omise din cauza refracției. Reflexia internă totală, care prinde lumina rămasă în sticlă, este mecanismul care lucrează.

La un unghi peste unghiul critic, acestea incid pe contactul sticla-aer. În formulările mai sofisticate construite pe funcția lui Green, aceste raze suplimentare se corelează cu o densitate mai mare de stări.

Într-un ghid de undă dielectric, putem capta și direcționa lumina utilizând reflexia internă totală. Razele de lumină roșie se reflectă pe suprafețele superioare și inferioare ale mediului cu indice mare.

Atâta timp cât placa se îndoaie treptat, aceasta poate fi direcționată chiar și atunci când se curbe sau se îndoaie. Lumina este ghidată de-a lungul unui miez de sticlă cu indice mare într-o placare de sticlă cu indice inferior, conform acestui principiu fundamental al fibrei optice.

Funcționarea ghidului de undă este descrisă doar aproximativ de optica cu raze. Pentru o descriere completă a unui ghid de undă dielectric, ecuațiile lui Maxwell pot fi rezolvate analitic sau numeric.

Exemplu de ghid de undă optic

Ghidurile de undă dielectrice, cunoscute și sub denumirea de ghiduri de undă plane, sunt poate cel mai elementar tip de ghiduri de undă optice.

Rețelele de ghiduri de undă în schemă, filtrele acusto-optice și modulatoarele sunt doar câteva dispozitive integrate pe cip care pot folosi ghiduri de undă plăci datorită simplității lor.

Ghidurile de undă din plăci sunt de asemenea utilizate frecvent ca modele de jucărie.

Trei straturi de materiale, fiecare având o constantă dielectrică distinctă, sunt combinate pentru a forma ghidul de undă al plăcii, care se poate extinde la infinit în direcții paralele cu interfețele dintre ele.

Dacă stratul central are un indice de refracție mai mare decât straturile exterioare, lumina este conținută în stratul mijlociu prin reflexie internă totală.

Câteva exemple de ghid de undă bidimensional

Ghid de undă bandă

Practic, o bandă a stratului care este strânsă între straturile de placare este ceea ce alcătuiește un ghid de undă pentru bandă.

Stratul de ghidare al ghidajului de undă al plăcii este constrâns în ambele direcții transversale, mai degrabă decât doar una, rezultând cel mai simplu exemplu de ghid de undă dreptunghiular. Atât circuitele optice integrate, cât și diodele laser folosesc ghiduri de undă dreptunghiulare.

Ele servesc frecvent ca fundație pentru părți optice, cum ar fi interferometrele Mach-Zehnder și multiplexoarele cu diviziune a lungimii de undă. De multe ori, ghidurile de undă optice dreptunghiulare sunt folosite pentru a construi cavitățile diodelor laser.

O tehnică plană este de obicei utilizată pentru a crea ghiduri de undă optice cu o formă dreptunghiulară.

Ghid de undă nervură

Într-un ghid de undă nervurat, stratul de ghidare este în esență o placă cu o bandă (sau mai multe benzi) suprapuse deasupra acesteia.

În structurile nervurilor cu mai multe straturi, este posibilă confinarea aproape de unitate, precum și limitarea undei în două dimensiuni în ghidurile de undă ale nervurilor.

Ghid de undă cu cristal fotonic și ghid de undă segmentat

De-a lungul căii lor de propagare, ghidurile de undă optice păstrează în mod normal o secțiune transversală constantă. Aceasta este situația, de exemplu, cu ghidurile de undă cu bandă și nervură.

Folosind așa-numitele moduri Bloch, ghidurile de undă pot avea, de asemenea, variații periodice în secțiunea lor transversală și totuși pot transmite lumină fără nicio pierdere.

Aceste ghiduri de undă sunt clasificate ca ghiduri de undă cu cristale fotonice (cu model 2D sau 3D) sau ghiduri de undă segmentate (cu model 1D de-a lungul direcției de propagare).

Ghid de undă inscripționat cu laser

Industria fotonică este locul unde ghidurile de undă optice sunt cele mai utile. Integrarea între cipurile electrice și fibrele optice este posibilă prin configurarea ghidurilor de undă în spațiul 3D.

Un singur mod de lumină infraroșie la lungimi de undă de telecomunicații poate fi propagat folosind astfel de ghiduri de undă, care sunt, de asemenea, configurate pentru a transporta semnale optice între locurile de intrare și de ieșire cu pierderi extrem de mici.

Utilizări ale ghidului de undă optice

În sistemele de comunicații cu microunde, radiodifuziune și radar, un ghid de undă este o linie de alimentare electromagnetică. Un ghid de undă este realizat dintr-o țeavă sau un tub de metal care este dreptunghiular sau cilindric.

Câmpul electromagnetic se extinde longitudinal. Claxonul și antenele antene sunt cele mai tipice aplicații pentru ghiduri de undă.

Fibră optică - este un ghid de undă?

Reflexia internă totală, care guvernează modul în care funcționează fibra optică, poate fi considerată ca un ghid de undă luminoasă.

Dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic, reflexia internă totală are loc atunci când o undă care se propagă întâlnește granița dintre două materiale diferite.

Concluzie

În concluzie, un ghid de undă optic este o structură care „ghidează” o undă luminoasă împiedicând-o să se deplaseze într-o direcție diferită de cea dorită. În industria medicală, fibrele optice sunt frecvent utilizate atât pentru diagnostic, cât și pentru terapie.

Șuvițele flexibile din fibre optice pot fi plasate în plămâni, arterele de sânge și alte organe. Un tub lung adăpostește două mănunchiuri de fibre optice în interiorul unui endoscop, un dispozitiv medical.

O imagine detaliată este creată prin direcționarea luminii către țesutul testat într-un pachet, în timp ce primește lumina reflectată de acesta în celălalt fascicul. Endoscoapele pot fi realizate pentru a examina anumite părți ale corpului sau articulații, cum ar fi genunchii.