Содержание[Скрывать][Показывать]
Физический объект, направляющий электромагнитные волны в оптическом спектре, называется оптическим волноводом.
Прозрачные диэлектрические волноводы, состоящие из пластика и стекла, а также оптического волокна, являются типичными формами оптических волноводов.
Пространственный диапазон, в котором может распространяться свет, ограничен оптическим волноводом, который представляет собой пространственно-неоднородное устройство для направления света.
Как правило, у волновода есть участок, где показатель преломления выше, чем у окружающей среды (называемый оболочкой).
В этой статье мы рассмотрим принципы работы оптического волновода, несколько примеров и многое другое.
Введение в оптический волновод
Основными строительными блоками фотонных устройств являются оптические волноводы, которые направляют, связывают, коммутируют, делят, мультиплексируют и демультиплексируют оптические сигналы.
Используя планарную технологию, аналогичную микроэлектронике, пассивные волноводы, электрооптические компоненты, передатчики, приемники и управляющую электронику можно объединить в один чип.
Характеристики волноводных устройств зависят от множества факторов, включая геометрию, длину волны, начальное распределение поля, информацию о материалах и условия электрооптического возбуждения, несмотря на то, что их функционирование хорошо изучено и изучено.
Перед изготовлением гаджета необходимо настроить определенные параметры. Поскольку для создания чипа требуется так много ресурсов, точное моделирование необходимо для крупномасштабных оптоэлектронных схем.
Моды волновода, связь мод, потери и усиление, а также передача световых сигналов моделируются в конструкции оптического волновода.
Волноводное устройство описывается в одном разделе входных данных его геометрией, производственными факторами и константами материала.
Данные о волноводах в идеале следует вводить с помощью макета проекта с программным обеспечением, которое также может управлять производственными параметрами.
Для настройки числовых расчетов ввод данных также включает в себя еще один компонент. В идеальном мире системы ввода скрывают или ограничивают особенности числовых вычислений.
Но поскольку при моделировании волноводов часто используются сложные численные процедуры, вам необходимо ознакомиться с некоторыми элементами базовой численной обработки.
Фотонные схемы строятся с использованием волноводов. Перпендикулярно маршруту по центру волновода определяется ширина волновода, фиксированная или изменяющаяся.
Основной принцип оптического волновода
Как показано на рисунке, для передачи фундаментальных идей, лежащих в основе оптических волноводов, можно использовать концепции геометрической или лучевой оптики.
Преломление — это процесс, при котором свет, попадающий в материал с более высоким показателем преломления, изгибается в сторону нормали.
Рассмотрим случай, когда свет попадает в стекло из воздуха. Подобно тому, как свет, двигаясь в обратном направлении, из стекла в воздух, следует по тому же пути и отклоняется от обычного. Это происходит из-за симметрии обращения времени. Каждый луч в воздухе можно сопоставить с лучом в стекле.
Существует связь один к одному. Но некоторые световые лучи в стекле пропускаются из-за преломления. Полное внутреннее отражение, которое захватывает оставшийся свет в стекле, является действующим механизмом.
Под углом, превышающим критический, они падают на контакт стекло-воздух. В более сложных формулировках, основанных на функции Грина, эти дополнительные лучи коррелируют с большей плотностью состояний.
В диэлектрическом волноводе мы можем захватывать и направлять свет, используя полное внутреннее отражение. Лучи красного света отражаются от верхней и нижней поверхностей среды с высоким показателем преломления.
Пока плита изгибается постепенно, ее можно направлять, даже когда она изгибается или изгибается. Свет направляется по сердцевине из стекла с высоким показателем преломления в стеклянной оболочке с более низким показателем преломления в соответствии с этим фундаментальным принципом волоконной оптики.
Работа волновода лишь приблизительно описывается лучевой оптикой. Для полного описания диэлектрического волновода уравнения Максвелла могут быть решены аналитически или численно.
Пример оптического волновода
Волноводы из диэлектрических пластин, также известные как плоские волноводы, являются, пожалуй, самым основным типом оптических волноводов.
Массивные волноводные решетки, акустооптические фильтры и модуляторы — это всего лишь несколько встроенных в кристалл устройств, которые могут использовать пластинчатые волноводы из-за их простоты.
Пластинчатые волноводы также часто используются в качестве игрушечных моделей.
Три слоя материалов, каждый из которых имеет различную диэлектрическую проницаемость, объединяются в пластинчатый волновод, который может неограниченно простираться в направлениях, параллельных границам раздела между ними.
Если центральный слой имеет более высокий показатель преломления, чем внешние слои, свет удерживается в среднем слое за счет полного внутреннего отражения.
Некоторые примеры двумерного волновода
Ленточный волновод
По сути, полоска слоя, зажатая между слоями оболочки, образует полосовой волновод.
Направляющий слой пластинчатого волновода ограничен в обоих поперечных направлениях, а не только в одном, что приводит к простейшему примеру прямоугольного волновода. Как интегральные оптические схемы, так и лазерные диоды используют прямоугольные волноводы.
Они часто служат основой для оптических частей, таких как интерферометры Маха-Цендера и мультиплексоры с разделением по длине волны. Во многих случаях прямоугольные оптические волноводы используются для построения резонаторов лазерных диодов.
Планарная технология обычно используется для создания оптических волноводов прямоугольной формы.
Ребристый волновод
В ребристом волноводе направляющий слой представляет собой пластину с полосой (или несколькими полосами), наложенной поверх нее.
В многослойных ребристых структурах возможно почти единичное удержание, а также удержание волны в двух измерениях в ребристых волноводах.
Фотонно-кристаллический волновод и сегментированный волновод
На пути распространения оптические волноводы обычно сохраняют постоянное поперечное сечение. Так обстоит дело, например, с полосовыми и ребристыми волноводами.
Используя так называемые блоховские моды, волноводы также могут периодически изменять свое поперечное сечение и при этом передавать свет без каких-либо потерь.
Эти волноводы классифицируются как фотонно-кристаллические волноводы (с 2D- или 3D-структурированием) или сегментированные волноводы (с 1D-структурированием вдоль направления распространения).
Волновод с лазерной маркировкой
В фотонной промышленности оптические волноводы наиболее полезны. Интеграция между электрическими микросхемами и оптическими волокнами стала возможной благодаря размещению волноводов в трехмерном пространстве.
Единая мода инфракрасного света на телекоммуникационных длинах волн может распространяться с использованием таких волноводов, которые также настроены для передачи оптических сигналов между входными и выходными точками с чрезвычайно малыми потерями.
Оптический волновод использует
В системах микроволновой связи, радиовещания и радиолокации волновод представляет собой линию электромагнитного питания. Волновод изготавливается из металлической трубы прямоугольной или цилиндрической формы.
Электромагнитное поле распространяется в продольном направлении. Рупорные и параболические антенны являются наиболее типичными применениями волноводов.
Оптическое волокно — это волновод?
Полное внутреннее отражение, определяющее работу оптического волокна, можно рассматривать как световой волновод.
Если угол падения больше критического угла, полное внутреннее отражение возникает, когда распространяющаяся волна встречает границу между двумя разными материалами.
Заключение
В заключение, оптический волновод — это структура, которая «направляет» световую волну, не позволяя ей двигаться в направлении, отличном от желаемого. В медицинской промышленности оптические волокна часто используются как для диагностики, так и для терапии.
Гибкие нити из оптических волокон можно вводить в легкие, кровеносные артерии и другие органы. Одна длинная трубка содержит два пучка оптических волокон внутри эндоскопа, медицинского устройства.
Детальное изображение создается путем направления света на исследуемую ткань в одном пучке и получения отраженного от нее света в другом пучке. Эндоскопы могут использоваться для осмотра определенных частей тела или суставов, например коленей.
Оставьте комментарий