สารบัญ[ซ่อน][แสดง]
วัตถุทางกายภาพที่นำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสเปกตรัมแสงเรียกว่าท่อนำคลื่นแสง
ท่อนำคลื่นอิเล็กทริกแบบใสที่ประกอบด้วยพลาสติกและแก้ว เช่นเดียวกับใยแก้วนำแสง เป็นรูปแบบทั่วไปของท่อนำคลื่นแสง
ช่วงเชิงพื้นที่ที่แสงสามารถแพร่กระจายได้นั้นถูกจำกัดด้วยท่อนำคลื่นแบบออปติคัล ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันในเชิงพื้นที่สำหรับการกำกับแสง
โดยทั่วไป ท่อนำคลื่นจะมีส่วนที่ดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าตัวกลางโดยรอบ (เรียกว่าการหุ้ม)
ในบทความนี้ เราจะตรวจสอบหลักการของท่อนำคลื่นแบบออปติคัล ตัวอย่าง และอื่นๆ อีกมากมาย
ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับท่อนำคลื่นแสง
โครงสร้างพื้นฐานของอุปกรณ์โฟโตนิกส์คือท่อนำคลื่นแบบออปติคัล ซึ่งส่งสัญญาณออปติคอลแบบคู่ สลับ แบ่ง มัลติเพล็กซ์ และดีมัลติเพล็กซ์
การใช้เทคโนโลยีระนาบซึ่งคล้ายกับไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ท่อนำคลื่นแบบพาสซีฟ ส่วนประกอบอิเล็กโตรออปติก เครื่องส่งสัญญาณ เครื่องรับ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการขับขี่สามารถนำมารวมกันเป็นชิปตัวเดียวได้
ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ท่อนำคลื่นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงรูปทรง ความยาวคลื่น การกระจายสนามเริ่มต้น ข้อมูลวัสดุ และสภาพการขับขี่ด้วยไฟฟ้า แม้ว่าจะมีการศึกษาและทำความเข้าใจการทำงานของอุปกรณ์ดังกล่าวอย่างกว้างขวาง
ก่อนสร้างแกดเจ็ต ต้องปรับพารามิเตอร์บางอย่างก่อน เนื่องจากต้องใช้ทรัพยากรจำนวนมากในการสร้างชิป การสร้างแบบจำลองที่แม่นยำจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวงจรออปโตอิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่
โหมดท่อนำคลื่น โหมดคัปปลิ้ง การสูญเสียและเกน รวมถึงการส่งสัญญาณแสง ทั้งหมดนี้จำลองในการออกแบบท่อนำคลื่นแบบออปติคัล
อุปกรณ์ท่อนำคลื่นอธิบายไว้ในส่วนหนึ่งของข้อมูลป้อนเข้าโดยใช้รูปทรง ปัจจัยการผลิต และค่าคงที่ของวัสดุ
ข้อมูลท่อนำคลื่นควรป้อนข้อมูลโดยใช้เค้าโครงโครงการพร้อมซอฟต์แวร์ที่สามารถจัดการพารามิเตอร์การผลิตได้เช่นกัน
สำหรับการตั้งค่าการคำนวณเชิงตัวเลข การป้อนข้อมูลยังรวมถึงองค์ประกอบอื่นด้วย ในโลกที่สมบูรณ์แบบ ระบบอินพุตจะซ่อนหรือจำกัดลักษณะเฉพาะของการคำนวณเชิงตัวเลข
แต่เนื่องจากการสร้างแบบจำลองท่อนำคลื่นมักใช้ขั้นตอนเชิงตัวเลขที่ซับซ้อน คุณจึงจำเป็นต้องทำความคุ้นเคยกับองค์ประกอบบางอย่างของตัวเลขพื้นฐาน
วงจรโฟโตนิกถูกสร้างขึ้นโดยใช้ท่อนำคลื่น ตั้งฉากกับเส้นทางตามแนวศูนย์ท่อนำคลื่นคือการกำหนดความกว้างของท่อนำคลื่นไม่ว่าจะคงที่หรือเปลี่ยนแปลง
หลักการพื้นฐานของท่อนำคลื่นแสง
ตามที่แสดงในภาพ แนวคิดเชิงเรขาคณิตหรือออปติกเรย์สามารถนำมาใช้เพื่อถ่ายทอดแนวคิดพื้นฐานที่สนับสนุนท่อนำคลื่นแสง
การหักเหของแสงเป็นกระบวนการที่แสงที่เข้าสู่วัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าจะโค้งเข้าหาค่าปกติ
พิจารณากรณีของแสงที่เข้าสู่กระจกจากอากาศ คล้ายกับการที่แสงเคลื่อนไปทางอื่น จากกระจกสู่อากาศ ตามเส้นทางเดียวกันและเบี่ยงเบนไปจากปกติ เนื่องจากความสมมาตรของการย้อนเวลา ผลลัพธ์นี้ เป็นไปได้ที่จะจับคู่รังสีแต่ละดวงในอากาศกับรังสีในแก้ว
มีความสัมพันธ์แบบหนึ่งต่อหนึ่ง แต่แสงบางส่วนในแก้วพลาดไปเนื่องจากการหักเหของแสง การสะท้อนภายในทั้งหมดซึ่งดักจับแสงที่เหลืออยู่ในกระจกเป็นกลไกในการทำงาน
ที่มุมเหนือมุมวิกฤต พวกมันตกกระทบบนหน้าสัมผัสแก้วกับอากาศ ในสูตรที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งสร้างขึ้นจากการทำงานของ Green รังสีเพิ่มเติมเหล่านี้สัมพันธ์กับความหนาแน่นของสถานะที่มากขึ้น
ในท่อนำคลื่นอิเล็กทริก เราสามารถจับภาพและควบคุมแสงได้โดยใช้การสะท้อนภายในทั้งหมด รังสีแสงสีแดงสะท้อนพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของตัวกลางที่มีดัชนีสูง
ตราบใดที่แผ่นพื้นค่อยๆ โค้งงอ ก็สามารถกำหนดทิศทางได้แม้ในขณะที่โค้งหรือโค้งงอ แสงถูกนำทางไปตามแกนแก้วดัชนีสูงในกระจกหุ้มดัชนีด้านล่างตามหลักการพื้นฐานในใยแก้วนำแสง
การทำงานของท่อนำคลื่นนั้นแสดงโดยคร่าวๆ เท่านั้นโดยใช้เลนส์เรย์ สำหรับคำอธิบายแบบเต็มช่องของท่อนำคลื่นไดอิเล็กทริก สมการของแมกซ์เวลล์สามารถแก้ไขได้ในเชิงวิเคราะห์หรือเชิงตัวเลข
ตัวอย่างท่อนำคลื่นแสง
ท่อนำคลื่นแผ่นพื้นไดอิเล็กทริกหรือที่เรียกว่าท่อนำคลื่นระนาบอาจเป็นท่อนำคลื่นแสงแบบพื้นฐานที่สุด
ตะแกรงท่อนำคลื่นแบบอาร์เรย์ ตัวกรองอะคูสติกออปติก และโมดูเลเตอร์เป็นเพียงอุปกรณ์บนชิปเพียงไม่กี่ตัวที่สามารถใช้ท่อนำคลื่นแบบแผ่นเนื่องจากความเรียบง่าย
ท่อนำคลื่นแบบพื้นมักใช้เป็นโมเดลของเล่น
วัสดุสามชั้นซึ่งแต่ละชั้นมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่างกันจะรวมกันเป็นท่อนำคลื่นแบบแผ่น ซึ่งสามารถขยายไปในทิศทางขนานกับส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุเหล่านี้อย่างไม่มีกำหนด
ถ้าชั้นกลางมีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าชั้นนอก แสงจะอยู่ในชั้นกลางผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมด
ตัวอย่างบางส่วนของท่อนำคลื่น 2 มิติ
ท่อนำคลื่นราง
โดยทั่วไป แถบของชั้นที่ถูกบีบระหว่างชั้นหุ้มคือสิ่งที่ประกอบขึ้นเป็นท่อนำคลื่นแบบแถบ
ชั้นนำของท่อนำคลื่นของแผ่นพื้นถูกจำกัดในทั้งสองทิศทางตามขวางแทนที่จะเป็นเพียงชั้นเดียว ส่งผลให้ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ทั้งวงจรออปติคัลรวมและไดโอดเลเซอร์ใช้ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม
มักใช้เป็นพื้นฐานสำหรับชิ้นส่วนออปติคัล เช่น Mach-Zehnder interferometers และมัลติเพล็กเซอร์แบบแบ่งความยาวคลื่น หลายครั้งที่ท่อนำคลื่นแสงแบบสี่เหลี่ยมถูกนำมาใช้เพื่อสร้างโพรงของเลเซอร์ไดโอด
โดยทั่วไปจะใช้เทคนิคระนาบเพื่อสร้างท่อนำคลื่นแสงที่มีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า
ท่อนำคลื่นซี่โครง
ในท่อนำคลื่นซี่โครง เลเยอร์นำทางโดยพื้นฐานแล้วคือแผ่นพื้นที่มีแถบ (หรือหลายแถบ) ซ้อนทับอยู่ด้านบน
ในโครงสร้างซี่โครงแบบหลายชั้น การกักบริเวณใกล้เอกภาพเป็นไปได้เช่นเดียวกับการจำกัดคลื่นในสองมิติในท่อนำคลื่นซี่โครง
ท่อนำคลื่นคริสตัลโฟโตนิกและท่อนำคลื่นแบบแบ่งส่วน
ตามเส้นทางการขยายพันธุ์ ท่อนำคลื่นแบบออปติคัลมักจะรักษาส่วนตัดขวางที่คงที่ นี่คือสถานการณ์ เช่น กับท่อนำคลื่นแบบแถบและแบบซี่โครง
ด้วยการใช้โหมดที่เรียกว่า Bloch ท่อนำคลื่นยังสามารถมีการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะในส่วนตัดขวาง และยังส่งแสงโดยไม่สูญเสีย
ท่อนำคลื่นเหล่านี้จัดอยู่ในประเภทท่อนำคลื่นคริสตัลโฟโตนิก (ที่มีรูปแบบ 2D หรือ 3D) หรือท่อนำคลื่นแบบแบ่งส่วน (ที่มีรูปแบบ 1D ตามทิศทางของการขยายพันธุ์)
ท่อนำคลื่นที่จารึกด้วยเลเซอร์
อุตสาหกรรมโฟโตนิกส์เป็นที่ที่ท่อนำคลื่นแสงมีประโยชน์มากที่สุด การผสมผสานระหว่างชิปไฟฟ้าและเส้นใยแก้วนำแสงเป็นไปได้โดยการติดตั้งท่อนำคลื่นในพื้นที่ 3 มิติ
โหมดเดียวของแสงอินฟราเรดที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคมสามารถแพร่กระจายได้โดยใช้ท่อนำคลื่นดังกล่าว ซึ่งได้รับการตั้งค่าให้ส่งสัญญาณแสงระหว่างไซต์อินพุตและเอาต์พุตโดยมีการสูญเสียเพียงเล็กน้อย
ท่อนำคลื่นแสงใช้
ในระบบการสื่อสารด้วยไมโครเวฟ การแพร่ภาพ และระบบเรดาร์ ท่อนำคลื่นคือสายป้อนแม่เหล็กไฟฟ้า ท่อนำคลื่นทำจากท่อโลหะหรือท่อที่เป็นสี่เหลี่ยมหรือทรงกระบอก
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะแผ่ออกตามยาว เสาอากาศแบบแตรและจานเป็นแบบท่อนำคลื่นทั่วไปส่วนใหญ่
ใยแก้วนำแสง—เป็นท่อนำคลื่นหรือไม่?
การสะท้อนภายในทั้งหมด ซึ่งควบคุมการทำงานของไฟเบอร์ออปติก สามารถคิดได้ว่าเป็นท่อนำคลื่นแสง
ถ้ามุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤต การสะท้อนภายในทั้งหมดจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นแพร่กระจายไปชนกับเส้นขอบระหว่างวัสดุสองชนิดที่แตกต่างกัน
สรุป
โดยสรุป ท่อนำคลื่นแสงเป็นโครงสร้างที่ "นำ" คลื่นแสงโดยป้องกันไม่ให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต่างไปจากที่ต้องการ ในอุตสาหกรรมการแพทย์ มักใช้ใยแก้วนำแสงเพื่อการวินิจฉัยและการรักษา
เส้นที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งทำจากใยแก้วนำแสงสามารถใส่เข้าไปในปอด หลอดเลือดแดง และอวัยวะอื่นๆ ได้ หลอดยาวหนึ่งหลอดบรรจุเส้นใยแก้วนำแสงสองมัดภายในกล้องเอนโดสโคป ซึ่งเป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์
ภาพที่มีรายละเอียดถูกสร้างขึ้นโดยนำแสงไปที่เนื้อเยื่อภายใต้การทดสอบในชุดหนึ่งในขณะที่รับแสงที่สะท้อนจากอีกมัดหนึ่ง กล้องเอนโดสโคปสามารถตรวจดูส่วนต่างๆ ของร่างกายหรือข้อต่อได้ เช่น หัวเข่า
เขียนความเห็น