Talaan ng nilalaman[Tago][Ipakita]
Ang isang pisikal na bagay na nagdidirekta ng mga electromagnetic wave sa optical spectrum ay tinatawag na optical waveguide.
Ang mga transparent na dielectric waveguides na binubuo ng plastic at salamin, pati na rin ang optical fiber, ay mga tipikal na anyo ng optical waveguides.
Ang spatial range kung saan maaaring magpalaganap ang liwanag ay pinipigilan ng optical waveguide, na isang spatially inhomogeneous na device para sa pagdidirekta ng liwanag.
Karaniwan, ang isang waveguide ay may isang seksyon kung saan ang refractive index ay mas mataas kaysa sa nakapaligid na medium (tinatawag na cladding).
Sa artikulong ito, susuriin natin ang mga prinsipyo ng optical waveguide, ilang halimbawa, at marami pang iba.
Panimula sa optical waveguide
Ang pangunahing mga bloke ng gusali ng mga photonic na aparato ay optical waveguides, na nagdidirekta, mag-asawa, lumipat, divide, multiplex, at demultiplex optical signal.
Ang paggamit ng planar na teknolohiya, na katulad ng microelectronics, passive waveguides, electrooptic component, transmitter, receiver, at driving electronics ay maaaring pagsamahin lahat sa isang chip.
Ang pagganap ng mga waveguide device ay nakasalalay sa iba't ibang salik, kabilang ang geometry, wavelength, paunang pamamahagi ng field, materyal na impormasyon, at electrooptic na mga kondisyon sa pagmamaneho, sa kabila ng katotohanan na ang kanilang paggana ay malawakang pinag-aralan at naiintindihan.
Bago gumawa ng gadget, kailangang i-tune ang ilang partikular na parameter. Dahil napakaraming mapagkukunan ang kailangan upang lumikha ng isang chip, ang tumpak na pagmomodelo ay mahalaga para sa mga malalaking optoelectronic circuit.
Waveguide mode, mode coupling, loss, at gain, pati na rin ang pagpapadala ng mga light signal, lahat ay ginagaya sa optical waveguide na disenyo.
Ang aparato ng waveguide ay inilalarawan sa isang seksyon ng data ng pagpasok sa pamamagitan ng geometry nito, mga salik sa pagmamanupaktura, at mga constant ng materyal.
Ang data ng waveguide ay dapat na mainam na maging input gamit ang isang layout ng proyekto na may software na maaari ring pamahalaan ang mga parameter ng pagmamanupaktura.
Para sa pagtatakda ng mga numerical computations, ang pagpasok ng data ay may kasamang isa pang bahagi. Sa isang perpektong mundo, itatago o hihigpitan ng mga input system ang mga detalye ng numerical computation.
Ngunit dahil ang pagmomodelo ng waveguide ay madalas na gumagamit ng mga kumplikadong numerical na pamamaraan, kailangan mong maging pamilyar sa ilang elemento ng pinagbabatayan na mga numero.
Ang mga photonic circuit ay itinayo gamit ang mga waveguide. Perpendikular sa ruta sa kahabaan ng waveguide center ay ang kahulugan ng lapad ng waveguide, naayos man o nagbabago.
Pangunahing Principal ng Optical waveguide
Gaya ng ipinapakita sa larawan, maaaring gamitin ang geometrical o ray optics na mga konsepto upang ihatid ang mga pangunahing ideya na pinagbabatayan ng optical waveguides.
Ang repraksyon ay ang proseso kung saan ang liwanag na pumapasok sa isang materyal na may mas mataas na refractive index ay yumuko patungo sa normal.
Isaalang-alang ang kaso ng liwanag na pumapasok sa salamin mula sa hangin. Katulad ng kung paano gumagalaw ang liwanag sa kabilang direksyon, mula sa salamin patungo sa hangin, ay sumusunod sa parehong ruta at lumilihis mula sa karaniwan. Dahil sa time-reversal symmetry, nagreresulta ito. Posibleng imapa ang bawat sinag sa hangin sa isang sinag sa salamin.
May one-to-one na relasyon. Ngunit ang ilan sa mga sinag ng liwanag sa salamin ay hindi nakuha dahil sa repraksyon. Ang kabuuang panloob na pagmuni-muni, na kumukuha ng natitirang liwanag sa salamin, ay ang mekanismo sa trabaho.
Sa isang anggulo sa ibabaw ng kritikal na anggulo, ang mga ito ay insidente sa glass-air contact. Sa mas sopistikadong mga formulation na binuo sa paggana ng Green, ang mga karagdagang ray na ito ay nauugnay sa mas malaking density ng mga estado.
Sa isang dielectric waveguide, maaari nating makuha at idirekta ang liwanag sa pamamagitan ng paggamit ng kabuuang panloob na pagmuni-muni. Sinasalamin ng mga pulang ilaw na sinag ang itaas at ibabang ibabaw ng mataas na index medium.
Hangga't ang slab ay unti-unting yumuko, maaari itong idirekta kahit na ito ay kurbada o yumuko. Ang liwanag ay ginagabayan sa isang high index glass core sa isang lower index glass cladding ayon sa pangunahing prinsipyong ito sa fiber optics.
Ang pagpapatakbo ng waveguide ay halos inilalarawan lamang ng ray optics. Para sa isang full-field na paglalarawan ng isang dielectric waveguide, ang mga equation ni Maxwell ay maaaring malutas sa analytical o numerical.
Halimbawa ng Optical waveguide
Ang dielectric slab waveguides, na kilala rin bilang planar waveguides, ay marahil ang pinakapangunahing uri ng optical waveguides.
Ang mga naka-array na waveguide grating, acousto-optic na filter, at modulator ay ilan lamang sa mga on-chip na device na maaaring gumamit ng slab waveguides dahil sa pagiging simple ng mga ito.
Ang mga slab waveguides ay madalas ding ginagamit bilang mga modelo ng laruan.
Tatlong layer ng mga materyales, bawat isa ay may natatanging dielectric constant, ay pinagsama upang mabuo ang slab waveguide, na maaaring pahabain nang walang katapusan sa mga direksyon na kahanay sa mga interface sa pagitan nila.
Kung ang gitnang layer ay may mas mataas na refractive index kaysa sa mga panlabas na layer, ang liwanag ay nakapaloob sa gitnang layer sa pamamagitan ng kabuuang panloob na pagmuni-muni.
Ilang halimbawa ng 2-Dimensional na waveguide
I-strip ang waveguide
Karaniwan, ang isang strip ng layer na nakaipit sa pagitan ng mga cladding layer ay ang bumubuo sa isang strip waveguide.
Ang gabay na layer ng slab waveguide ay nalilimitahan sa parehong nakahalang direksyon sa halip na isa lamang, na nagreresulta sa pinakasimpleng halimbawa ng isang hugis-parihaba na waveguide. Parehong pinagsamang optical circuit at laser diodes ay gumagamit ng mga rectangular waveguides.
Madalas silang nagsisilbing pundasyon para sa mga optical na bahagi tulad ng Mach-Zehnder interferometer at wavelength division multiplexer. Maraming beses, ang mga hugis-parihaba na optical waveguides ay ginagamit upang bumuo ng mga cavity ng laser diodes.
Ang isang planar technique ay karaniwang ginagamit upang lumikha ng optical waveguides na may hugis-parihaba na hugis.
rib waveguide
Sa isang rib waveguide, ang guiding layer ay mahalagang isang slab na may strip (o maraming strips) na nakapatong sa ibabaw nito.
Sa multi-layer rib structures, posible ang near-unity confinement gayundin ang confinement ng wave sa dalawang dimensyon sa rib waveguides.
Photonic crystal waveguide at segmented waveguide
Kasama ng kanilang propagation path, ang mga optical waveguides ay karaniwang nagpapanatili ng pare-parehong cross-section. Ito ang sitwasyon, halimbawa, sa strip at rib waveguides.
Sa pamamagitan ng paggamit ng tinatawag na Bloch mode, ang mga waveguides ay maaari ding magkaroon ng pana-panahong mga pagkakaiba-iba sa kanilang cross-section at gayunpaman ay nagpapadala ng liwanag nang walang anumang pagkawala.
Ang mga waveguides na ito ay inuri bilang photonic crystal waveguides (na may 2D o 3D patterning) o naka-segment na waveguides (na may 1D patterning sa direksyon ng propagation).
Waveguide na may nakasulat na laser
Ang industriya ng photonics ay kung saan pinakakapaki-pakinabang ang mga optical waveguides. Ang pagsasama-sama sa pagitan ng mga de-koryenteng chip at optical fiber ay ginawang posible sa pamamagitan ng pag-set up ng mga waveguides sa 3D space.
Ang isang solong mode ng infrared na ilaw sa mga wavelength ng telekomunikasyon ay maaaring palaganapin gamit ang mga naturang waveguides, na naka-set up din upang magdala ng mga optical signal sa pagitan ng mga site ng input at output na may napakakaunting pagkawala.
Gumagamit ng optical waveguide
Sa microwave communications, broadcasting, at radar system, ang waveguide ay isang electromagnetic feed line. Ang waveguide ay gawa sa metal pipe o tube na hugis-parihaba o cylindrical.
Ang electromagnetic field ay kumakalat nang pahaba. Ang mga horn at dish antenna ay ang pinakakaraniwang mga application ng waveguide.
Optical fiber—isa ba itong waveguide?
Ang kabuuang panloob na pagmuni-muni, na namamahala sa kung paano gumagana ang optical fiber, ay maaaring isipin bilang isang light waveguide.
Kung ang anggulo ng saklaw ay mas malaki kaysa sa kritikal na anggulo, ang kabuuang panloob na pagmuni-muni ay nangyayari kapag ang isang nagpapalaganap na alon ay nakatagpo sa hangganan sa pagitan ng dalawang magkaibang materyales.
Konklusyon
Sa konklusyon, ang isang optical waveguide ay isang istraktura na "gumagabay" sa isang liwanag na alon sa pamamagitan ng pagpigil nito sa paglalakbay sa ibang direksyon kaysa sa nais. Sa industriyang medikal, ang mga optical fiber ay madalas na ginagamit para sa parehong diagnosis at therapy.
Ang mga nababaluktot na hibla na gawa sa mga optical fiber ay maaaring ilagay sa mga baga, mga arterya ng dugo, at iba pang mga organo. Ang isang mahabang tubo ay naglalaman ng dalawang bundle ng optic fibers sa loob ng isang endoscope, isang medikal na aparato.
Ang isang detalyadong larawan ay nalikha sa pamamagitan ng pagdidirekta ng liwanag patungo sa tissue na sinusuri sa isang bundle habang tumatanggap ng liwanag na makikita mula dito sa kabilang bundle. Ang mga endoscope ay maaaring gawin upang suriin ang ilang bahagi ng katawan o mga kasukasuan, tulad ng mga tuhod.
Mag-iwan ng Sagot