Obsah[Skryť][Šou]
Fyzický objekt, ktorý usmerňuje elektromagnetické vlny v optickom spektre, sa nazýva optický vlnovod.
Typickými formami optických vlnovodov sú priehľadné dielektrické vlnovody zložené z plastu a skla, ako aj optické vlákno.
Priestorový rozsah, v ktorom sa môže svetlo šíriť, je obmedzený optickým vlnovodom, čo je priestorovo nehomogénne zariadenie na smerovanie svetla.
Typicky má vlnovod časť, kde je index lomu vyšší ako okolité médium (nazývaný plášť).
V tomto článku preskúmame princípy optického vlnovodu, niekoľko príkladov a oveľa viac.
Úvod do optického vlnovodu
Základnými stavebnými kameňmi fotonických zariadení sú optické vlnovody, ktoré smerujú, spájajú, prepínajú, delia, multiplexujú a demultiplexujú optické signály.
Pomocou planárnej technológie, ktorá je podobná mikroelektronike, je možné pasívne vlnovody, elektrooptické komponenty, vysielače, prijímače a riadiacu elektroniku spojiť do jedného čipu.
Výkon vlnovodov závisí od rôznych faktorov, vrátane geometrie, vlnovej dĺžky, počiatočného rozloženia poľa, informácií o materiáli a podmienok elektrooptického riadenia, a to napriek skutočnosti, že ich fungovanie bolo dôkladne študované a pochopené.
Pred vytvorením modulu gadget je potrebné vyladiť určité parametre. Pretože na vytvorenie čipu je potrebných toľko zdrojov, presné modelovanie je nevyhnutné pre rozsiahle optoelektronické obvody.
Režimy vlnovodu, spojenie režimov, strata a zisk, ako aj prenos svetelných signálov, sú všetky simulované v dizajne optického vlnovodu.
Zariadenie vlnovodu je popísané v jednej časti vstupných údajov jeho geometriou, výrobnými faktormi a materiálovými konštantami.
Dáta vlnovodu by sa mali v ideálnom prípade zadávať pomocou rozloženia projektu so softvérom, ktorý dokáže spravovať aj výrobné parametre.
Pre nastavenie numerických výpočtov obsahuje zadávanie údajov aj ďalšiu zložku. V dokonalom svete by vstupné systémy skryli alebo obmedzili špecifiká numerických výpočtov.
Ale keďže modelovanie vlnovodu často využíva zložité numerické postupy, musíte byť oboznámení s niektorými prvkami základných čísel.
Fotonické obvody sú konštruované pomocou vlnovodov. Kolmo na trasu pozdĺž stredu vlnovodu je definovaná šírka vlnovodu, či už pevná alebo meniaca sa.
Základný princíp optického vlnovodu
Ako je znázornené na obrázku, na vyjadrenie základných myšlienok, na ktorých sú založené optické vlnovody, možno použiť koncepty geometrickej alebo lúčovej optiky.
Lom je proces, pri ktorom sa svetlo, ktoré vstupuje do materiálu s vyšším indexom lomu, ohýba smerom k normálu.
Zvážte prípad svetla vstupujúceho do skla zo vzduchu. Podobne ako svetlo pohybujúce sa opačným smerom, zo skla do vzduchu, sleduje rovnakú trasu a odchyľuje sa od zvyčajného. Výsledkom je symetria s obrátením času. Je možné mapovať každý lúč vo vzduchu na lúč v skle.
Existuje vzťah jeden k jednému. Niektoré svetelné lúče v skle však chýbajú v dôsledku lomu. Úplný vnútorný odraz, ktorý zachytáva zostávajúce svetlo v skle, je mechanizmus, ktorý funguje.
V uhle nad kritickým uhlom dopadajú na kontakt skla so vzduchom. V sofistikovanejších formuláciách postavených na Greenovej funkcii tieto dodatočné lúče korelujú s väčšou hustotou stavov.
V dielektrickom vlnovode môžeme zachytiť a nasmerovať svetlo pomocou úplného vnútorného odrazu. Lúče červeného svetla sa odrážajú od horného a spodného povrchu média s vysokým indexom.
Pokiaľ sa doska ohýba postupne, môže byť nasmerovaná, aj keď sa zakrivuje alebo ohýba. Svetlo je vedené pozdĺž skleneného jadra s vysokým indexom indexu v sklenenom plášti s nižším indexom podľa tohto základného princípu vo vláknovej optike.
Prevádzka vlnovodu je lúčovou optikou znázornená len približne. Pre úplný popis dielektrického vlnovodu možno Maxwellove rovnice riešiť analyticky alebo numericky.
Príklad optického vlnovodu
Dielektrické doskové vlnovody, tiež známe ako planárne vlnovody, sú možno najzákladnejším druhom optických vlnovodov.
Usporiadané vlnovodné mriežky, akusticko-optické filtre a modulátory sú len niekoľkými zariadeniami na čipe, ktoré môžu používať doskové vlnovody kvôli ich jednoduchosti.
Doskové vlnovody sa tiež často používajú ako modely hračiek.
Tri vrstvy materiálov, z ktorých každá má odlišnú dielektrickú konštantu, sú kombinované, aby vytvorili doskový vlnovod, ktorý sa môže nekonečne rozprestierať v smeroch rovnobežných s rozhraniami medzi nimi.
Ak má stredná vrstva vyšší index lomu ako vonkajšie vrstvy, svetlo je obsiahnuté v strednej vrstve úplným vnútorným odrazom.
Niekoľko príkladov 2-dimenzionálneho vlnovodu
Pásový vlnovod
V podstate pásik vrstvy, ktorý je vtlačený medzi obkladové vrstvy, tvorí pásový vlnovod.
Vodiaca vrstva doskového vlnovodu je obmedzená v oboch priečnych smeroch, a nie jednoducho v jednom, čo vedie k najjednoduchšiemu príkladu pravouhlého vlnovodu. Integrované optické obvody aj laserové diódy využívajú pravouhlé vlnovody.
Často slúžia ako základ pre optické časti, ako sú Mach-Zehnderove interferometre a multiplexory s delením vlnovej dĺžky. Mnohokrát sa na vytváranie dutín laserových diód používajú obdĺžnikové optické vlnovody.
Na vytvorenie optických vlnovodov s pravouhlým tvarom sa zvyčajne používa rovinná technika.
Rebrový vlnovod
V rebrovom vlnovode je vodiaca vrstva v podstate doska s pásikom (alebo viacerými pásikmi) prekrytými na jej vrchu.
Vo viacvrstvových rebrových štruktúrach je možné zadržiavanie takmer jednoty, ako aj zadržiavanie vlny v dvoch rozmeroch v rebrových vlnovodov.
Vlnovod z fotonického kryštálu a segmentovaný vlnovod
Optické vlnovody majú pozdĺž svojej dráhy šírenia zvyčajne konštantný prierez. To je napríklad situácia v prípade pásových a rebrových vlnovodov.
Použitím takzvaných Blochových režimov môžu mať vlnovody aj periodické zmeny v ich priereze a napriek tomu prepúšťajú svetlo bez akýchkoľvek strát.
Tieto vlnovody sú klasifikované ako vlnovody z fotonického kryštálu (s 2D alebo 3D vzorovaním) alebo segmentované vlnovody (s 1D vzorovaním pozdĺž smeru šírenia).
Laserom vpísaný vlnovod
Odvetvie fotoniky je miestom, kde sú optické vlnovody najužitočnejšie. Integrácia medzi elektrickými čipmi a optickými vláknami je umožnená nastavením vlnovodov v 3D priestore.
Jediný režim infračerveného svetla na telekomunikačných vlnových dĺžkach sa môže šíriť pomocou takýchto vlnovodov, ktoré sú tiež nastavené na prenášanie optických signálov medzi vstupnými a výstupnými miestami s extrémne malými stratami.
Použitie optického vlnovodu
V mikrovlnných komunikačných, vysielacích a radarových systémoch je vlnovod elektromagnetické napájacie vedenie. Vlnovod je vyrobený z kovovej rúrky alebo rúrky, ktorá je obdĺžniková alebo valcová.
Elektromagnetické pole sa šíri pozdĺžne. Klaksónové a parabolické antény sú najtypickejšími aplikáciami vlnovodu.
Optické vlákno – je to vlnovod?
Úplný vnútorný odraz, ktorý riadi fungovanie optického vlákna, si možno predstaviť ako svetelný vlnovod.
Ak je uhol dopadu väčší ako kritický uhol, dôjde k úplnému vnútornému odrazu, keď sa šíriaca vlna narazí na hranicu medzi dvoma rôznymi materiálmi.
záver
Záverom možno povedať, že optický vlnovod je štruktúra, ktorá „vedie“ svetelnú vlnu tým, že jej bráni v pohybe iným smerom, než je požadovaný. V lekárskom priemysle sa optické vlákna často používajú na diagnostiku aj terapiu.
Flexibilné vlákna vyrobené z optických vlákien môžu byť umiestnené do pľúc, krvných tepien a iných orgánov. Jedna dlhá trubica obsahuje dva zväzky optických vlákien vo vnútri endoskopu, lekárskeho zariadenia.
Detailný obraz sa vytvorí nasmerovaním svetla smerom k testovanému tkanivu v jednom zväzku, zatiaľ čo svetlo odrazené od neho v druhom zväzku. Endoskopy môžu byť vyrobené na vyšetrenie určitých častí tela alebo kĺbov, ako sú kolená.
Nechaj odpoveď