Kazalo[Skrij][Pokaži]
Fizični objekt, ki usmerja elektromagnetne valove v optičnem spektru, se imenuje optični valovod.
Prozorni dielektrični valovod, sestavljen iz plastike in stekla ter optična vlakna, so tipične oblike optičnih valovodov.
Prostorsko območje, v katerem se lahko širi svetloba, je omejeno z optičnim valovodom, ki je prostorsko nehomogena naprava za usmerjanje svetlobe.
Običajno ima valovod odsek, kjer je lomni količnik višji od okoliškega medija (imenovan obloga).
V tem članku bomo preučili načela optičnega valovoda, nekaj primerov in še veliko več.
Uvod v optični valovod
Temeljni gradniki fotonskih naprav so optični valovod, ki usmerja, povezuje, preklaplja, deli, multipleksira in demultipleksira optične signale.
Z uporabo planarne tehnologije, ki je podobna mikroelektroniki, je mogoče vse pasivne valovode, elektrooptične komponente, oddajnike, sprejemnike in pogonsko elektroniko združiti na en sam čip.
Učinkovitost valovodnih naprav je odvisna od različnih dejavnikov, vključno z geometrijo, valovno dolžino, začetno porazdelitvijo polja, materialnimi informacijami in elektrooptičnimi pogonskimi pogoji, kljub dejstvu, da je bilo njihovo delovanje obsežno raziskano in razumljeno.
Pred izdelavo pripomočka je treba nastaviti določene parametre. Ker je za ustvarjanje čipa potrebnih toliko virov, je natančno modeliranje bistvenega pomena za obsežna optoelektronska vezja.
Načini valovoda, sklopitev načinov, izgube in ojačanja ter prenos svetlobnih signalov so vsi simulirani v zasnovi optičnega valovoda.
Valovodna naprava je opisana v enem delu vnosnih podatkov s svojo geometrijo, faktorji izdelave in konstantami materiala.
Podatki valovoda bi morali biti idealno vneseni z uporabo načrta projekta s programsko opremo, ki lahko upravlja tudi proizvodne parametre.
Za nastavitev numeričnih izračunov vnos podatkov vključuje še eno komponento. V popolnem svetu bi vhodni sistemi skrili ali omejili posebnosti numeričnega računanja.
Ker pa valovodno modeliranje pogosto uporablja zapletene numerične postopke, morate biti seznanjeni z nekaterimi elementi osnovnih numeričnih vrednosti.
Fotonska vezja so zgrajena z uporabo valovodov. Pravokotno na pot vzdolž središča valovoda je definicija širine valovoda, ne glede na to, ali je fiksna ali se spreminja.
Osnovni principi optičnega valovoda
Kot je prikazano na sliki, lahko geometrijske ali žarkovne optične koncepte uporabimo za prenos temeljnih idej, ki podpirajo optične valovode.
Refrakcija je proces, pri katerem se svetloba, ki vstopi v material z višjim lomnim količnikom, upogne proti normali.
Razmislite o primeru svetlobe, ki vstopa v steklo iz zraka. Podobno kot svetloba, ki se premika v drugo smer, od stekla do zraka, sledi isti poti in odstopa od običajne. Zaradi simetrije časovnega obrata je to posledica. Vsak žarek v zraku je mogoče preslikati na žarek v steklu.
Obstaja razmerje ena proti ena. Toda nekateri svetlobni žarki v steklu so zgrešeni zaradi loma. Delujoči mehanizem je popolni notranji odboj, ki ujame preostalo svetlobo v steklu.
Pod kotom nad kritičnim kotom vpadajo na stik steklo-zrak. V bolj sofisticiranih formulacijah, zgrajenih na Greenovi funkciji, ti dodatni žarki korelirajo z večjo gostoto stanj.
V dielektričnem valovodu lahko zajamemo in usmerimo svetlobo s pomočjo popolnega notranjega odboja. Rdeči svetlobni žarki se odbijajo od zgornje in spodnje površine medija z visokim indeksom.
Dokler se plošča postopoma upogiba, jo je mogoče usmerjati tudi, ko se ukrivi ali upogne. Svetloba je vodena vzdolž steklenega jedra z visokim indeksom v stekleni oblogi z nižjim indeksom v skladu s tem temeljnim načelom v optičnih vlaknih.
Delovanje valovoda je le grobo prikazano z žarkovno optiko. Za opis celotnega polja dielektričnega valovoda je mogoče Maxwellove enačbe rešiti analitično ali numerično.
Primer optičnega valovoda
Dielektrični ploščati valovod, znani tudi kot planarni valovod, je morda najosnovnejša vrsta optičnih valovodov.
Razporejene valovodne rešetke, akustično-optični filtri in modulatorji so le nekatere naprave na čipu, ki lahko zaradi svoje preprostosti uporabljajo ploščate valovode.
Plošče valovodov se pogosto uporabljajo tudi kot modeli igrač.
Trije sloji materialov, od katerih ima vsak svojo dielektrično konstanto, so združeni v ploščasti valovod, ki se lahko neomejeno razteza v smereh, vzporednih z vmesniki med njimi.
Če ima osrednja plast višji lomni količnik kot zunanje plasti, se svetloba zadržuje v srednji plasti zaradi popolnega notranjega odboja.
Nekaj primerov 2-dimenzionalnega valovoda
Tračni valovod
V bistvu je trak plasti, ki je stisnjen med plasti obloge, tisto, kar sestavlja valovod traku.
Vodilna plast ploščatega valovoda je omejena v obeh prečnih smereh in ne samo v eni, kar je najenostavnejši primer pravokotnega valovoda. Tako integrirana optična vezja kot laserske diode uporabljajo pravokotne valovode.
Pogosto služijo kot osnova za optične dele, kot so interferometri Mach-Zehnder in multiplekserji z delitvijo valovnih dolžin. Velikokrat se za izdelavo votlin laserskih diod uporabljajo pravokotni optični valovod.
Planarna tehnika se običajno uporablja za ustvarjanje optičnih valovodov pravokotne oblike.
Rebrasti valovod
V rebrastem valovodu je vodilna plast v bistvu plošča s trakom (ali več trakovi), prekritim na vrhu.
V večplastnih rebrastih strukturah je možna omejitev skoraj enotnosti, kot tudi omejitev valovanja v dveh dimenzijah v rebrastih valovodih.
Fotonski kristalni valovod in segmentirani valovod
Vzdolž poti širjenja imajo optični valovod običajno konstanten presek. To je na primer stanje pri tračnih in rebrastih valovodih.
Z uporabo tako imenovanih Blochovih načinov imajo lahko tudi valovod periodične variacije v prerezu in kljub temu prepuščajo svetlobo brez izgub.
Ti valovodi so razvrščeni kot fotonski kristalni valovod (z 2D ali 3D vzorcem) ali segmentirani valovod (z 1D vzorcem vzdolž smeri širjenja).
Lasersko vpisan valovod
Industrija fotonike je tista, kjer so optični valovod najbolj uporabni. Integracija med električnimi čipi in optičnimi vlakni je omogočena s postavitvijo valovodov v 3D prostoru.
En sam način infrardeče svetlobe na telekomunikacijskih valovnih dolžinah se lahko širi s pomočjo takih valovodov, ki so prav tako nastavljeni za prenos optičnih signalov med vhodnimi in izhodnimi mesti z izjemno majhnimi izgubami.
Uporaba optičnega valovoda
V mikrovalovnih komunikacijah, radiodifuziji in radarskih sistemih je valovod elektromagnetni napajalni vod. Valovod je izdelan iz kovinske pravokotne ali valjaste cevi.
Elektromagnetno polje se širi vzdolžno. Horne in krožne antene so najbolj značilne aplikacije za valovode.
Optična vlakna - ali je valovod?
Popolni notranji odboj, ki določa delovanje optičnih vlaken, si lahko predstavljamo kot svetlobni valovod.
Če je vpadni kot večji od kritičnega kota, pride do popolnega notranjega odboja, ko val, ki se širi, naleti na mejo med dvema različnima materialoma.
zaključek
Skratka, optični valovod je struktura, ki "vodi" svetlobni val tako, da preprečuje, da bi potoval v drugo smer od želene. V medicinski industriji se optična vlakna pogosto uporabljajo za diagnostiko in terapijo.
Gibljive niti iz optičnih vlaken lahko namestimo v pljuča, krvne arterije in druge organe. V eni dolgi cevi sta dva snopa optičnih vlaken znotraj endoskopa, medicinske naprave.
Podrobna slika se ustvari z usmerjanjem svetlobe proti testiranemu tkivu v enem snopu, medtem ko v drugem snopu sprejema svetlobo, ki se odbija od njega. Endoskopi se lahko naredijo za pregled nekaterih delov telesa ali sklepov, kot so kolena.
Pustite Odgovori