Innehållsförteckning[Dölj][Visa]
Ett fysiskt föremål som riktar elektromagnetiska vågor i det optiska spektrumet kallas en optisk vågledare.
Transparenta dielektriska vågledare sammansatta av plast och glas, samt optisk fiber, är typiska former av optiska vågledare.
Det rumsliga området inom vilket ljus kan fortplanta sig begränsas av en optisk vågledare, som är en rumsligt inhomogen anordning för att rikta ljus.
Vanligtvis har en vågledare en sektion där brytningsindex är högre än det omgivande mediet (kallad beklädnad).
I den här artikeln kommer vi att undersöka den optiska vågledarens principer, några exempel och mycket mer.
Introduktion till optisk vågledare
De grundläggande byggstenarna för fotoniska enheter är optiska vågledare, som riktar, kopplar, växlar, delar, multiplexar och demultiplexar optiska signaler.
Med hjälp av planteknologi, som är besläktad med mikroelektronik, kan passiva vågledare, elektrooptiska komponenter, sändare, mottagare och drivelektronik alla kombineras på ett enda chip.
Prestandan hos vågledaranordningar beror på en mängd olika faktorer, inklusive geometri, våglängd, initial fältfördelning, materialinformation och elektrooptiska drivförhållanden, trots att deras funktion har studerats och förståtts i stor utsträckning.
Innan du gör en gadget måste vissa parametrar ställas in. Eftersom det krävs så många resurser för att skapa ett chip, är exakt modellering avgörande för storskaliga optoelektroniska kretsar.
Vågledarlägen, modkoppling, förlust och förstärkning, såväl som överföringen av ljussignaler, simuleras alla i optisk vågledardesign.
Vågledaranordningen beskrivs i ett avsnitt av inmatningsdata genom dess geometri, tillverkningsfaktorer och materialkonstanter.
Vågledardata bör helst matas in med hjälp av en projektlayout med programvara som också kan hantera tillverkningsparametrar.
För att ställa in numeriska beräkningar inkluderar inmatning av data även en annan komponent. I en perfekt värld skulle indatasystem dölja eller begränsa detaljerna i den numeriska beräkningen.
Men eftersom vågledarmodellering ofta använder sig av komplexa numeriska procedurer, måste du vara bekant med vissa delar av den underliggande numeriken.
Fotoniska kretsar är konstruerade med hjälp av vågledare. Vinkelrätt mot rutten längs vågledarens centrum är definitionen av en vågledares bredd, oavsett om den är fast eller förändras.
Grundläggande princip för optisk vågledare
Som visas på bilden kan geometriska eller stråloptiska koncept användas för att förmedla de grundläggande idéerna som ligger till grund för optiska vågledare.
Refraktion är den process genom vilken ljus som kommer in i ett material med ett högre brytningsindex böjer sig mot det normala.
Tänk på fallet med ljus som kommer in i glas från luften. Liknande hur ljus som rör sig åt andra hållet, från glas till luft, följer samma väg och avviker från det vanliga. På grund av tidsomkastningssymmetri resulterar detta. Det är möjligt att kartlägga varje stråle i luften till en stråle i glaset.
Det finns en en-till-en relation. Men några av ljusstrålarna i glaset missas på grund av brytning. Total intern reflektion, som fångar det kvarvarande ljuset i glaset, är mekanismen som fungerar.
I en vinkel över den kritiska vinkeln infaller de på glas-luftkontakten. I mer sofistikerade formuleringar som bygger på Greens funktion, korrelerar dessa extra strålar till en större täthet av tillstånd.
I en dielektrisk vågledare kan vi fånga och rikta ljuset genom att använda total intern reflektion. Röda ljusstrålar reflekteras från högindexmediets övre och nedre ytor.
Så länge plattan böjs gradvis kan den riktas även när den kröks eller böjs. Ljuset leds längs en glaskärna med högt index i en glasbeklädnad med lägre index enligt denna grundläggande princip inom fiberoptik.
Vågledarens funktion skildras endast grovt av stråloptik. För en fullfältsbeskrivning av en dielektrisk vågledare kan Maxwells ekvationer lösas analytiskt eller numeriskt.
Exempel på optisk vågledare
Dielektriska platta vågledare, även känd som plana vågledare, är kanske den mest grundläggande typen av optiska vågledare.
Arrayade vågledargitter, akustooptiska filter och modulatorer är bara några få on-chip-enheter som kan använda plattvågledare på grund av deras enkelhet.
Slab-vågledare används också ofta som leksaksmodeller.
Tre lager av material, vart och ett med en distinkt dielektricitetskonstant, kombineras för att bilda plattans vågledare, som kan sträcka sig oändligt i riktningar parallella med gränssnitten mellan dem.
Om det centrala skiktet har ett högre brytningsindex än de yttre skikten, finns ljus i mellanskiktet genom total intern reflektion.
Några exempel på den 2-dimensionella vågledaren
Strip vågledare
I grund och botten är en remsa av skiktet som kläms in mellan beklädnadslagren det som utgör en remsvågledare.
Plattans vågledares styrskikt är begränsat i båda tvärriktningarna snarare än bara en, vilket resulterar i det enklaste exemplet på en rektangulär vågledare. Både integrerade optiska kretsar och laserdioder använder rektangulära vågledare.
De fungerar ofta som grunden för optiska delar som Mach-Zehnder-interferometrar och våglängdsmultiplexorer. Många gånger används rektangulära optiska vågledare för att bygga kaviteterna i laserdioder.
En plan teknik används vanligtvis för att skapa optiska vågledare med en rektangulär form.
Ribbvågledare
I en ribbvågledare är styrskiktet i huvudsak en platta med en remsa (eller flera remsor) överlagd ovanpå den.
I flerskiktiga ribbstrukturer är instängning nära enhet möjlig liksom inneslutning av vågen i två dimensioner i ribbvågledare.
Fotonisk kristallvågledare och segmenterad vågledare
Längs sin utbredningsbana håller optiska vågledare normalt ett konstant tvärsnitt. Detta är till exempel situationen med remsor och ribba vågledare.
Genom att använda så kallade Bloch-moder kan vågledare också ha periodiska variationer i sitt tvärsnitt och ändå överföra ljus utan förlust.
Dessa vågledare klassificeras som fotoniska kristallvågledare (med 2D- eller 3D-mönster) eller segmenterade vågledare (med 1D-mönster längs utbredningsriktningen).
Laserinskriven vågledare
Fotonikindustrin är där optiska vågledare är mest användbara. Integration mellan elektriska chips och optiska fibrer möjliggörs genom att sätta upp vågledarna i 3D-rymden.
Ett enda läge av infrarött ljus vid telekommunikationsvåglängder kan spridas med hjälp av sådana vågledare, som också är inställda för att bära optiska signaler mellan ingångs- och utgångsplatser med extremt liten förlust.
Optisk vågledare använder
I mikrovågskommunikation, sändningar och radarsystem är en vågledare en elektromagnetisk matningsledning. En vågledare är gjord av ett metallrör eller rör som är rektangulärt eller cylindriskt.
Det elektromagnetiska fältet sprids i längdriktningen. Horn- och parabolantenner är de mest typiska vågledarapplikationerna.
Optisk fiber — är det en vågledare?
Total intern reflektion, som styr hur optisk fiber fungerar, kan ses som en ljusvågledare.
Om infallsvinkeln är större än den kritiska vinkeln uppstår total intern reflektion när en fortplantningsvåg möter gränsen mellan två olika material.
Slutsats
Sammanfattningsvis är en optisk vågledare en struktur som "leder" en ljusvåg genom att förhindra att den rör sig i en annan riktning än den som önskas. Inom den medicinska industrin används optiska fibrer ofta för både diagnos och terapi.
Flexibla strängar gjorda av optiska fibrer kan placeras i lungorna, blodartärerna och andra organ. Ett långt rör rymmer två knippen av optiska fibrer inuti ett endoskop, en medicinsk apparat.
En detaljerad bild skapas genom att rikta ljus mot vävnaden som testas i en bunt samtidigt som ljus som reflekteras från den i den andra bunten tas emot. Endoskop kan göras för att undersöka vissa kroppsdelar eller leder, såsom knäna.
Kommentera uppropet