Зміст[Сховати][Показати]
Фізичний об'єкт, який спрямовує електромагнітні хвилі в оптичному спектрі, називається оптичним хвилеводом.
Прозорі діелектричні хвилеводи, що складаються з пластику і скла, а також оптичне волокно є типовими формами оптичних хвилеводів.
Просторовий діапазон, в якому може поширюватися світло, обмежений оптичним хвилеводом, який є просторово неоднорідним пристроєм для направлення світла.
Як правило, хвилевід має ділянку, де показник заломлення вищий, ніж навколишнє середовище (так звана оболонка).
У цій статті ми розглянемо принципи оптичного хвилеводу, деякі приклади та багато іншого.
Введення в оптичний хвилевід
Основними будівельними блоками фотонних пристроїв є оптичні хвилеводи, які направляють, з’єднують, комутують, ділять, мультиплексують і демультиплексують оптичні сигнали.
Використовуючи планарну технологію, яка схожа на мікроелектроніку, пасивні хвилеводи, електрооптичні компоненти, передавачі, приймачі та керуючу електроніку можна об’єднати в одному чіпі.
Продуктивність хвилеводних пристроїв залежить від різноманітних факторів, включаючи геометрію, довжину хвилі, початковий розподіл поля, інформацію про матеріал та електрооптичні умови керування, незважаючи на те, що їх функціонування було широко вивчено та зрозуміло.
Перед виготовленням гаджета потрібно налаштувати певні параметри. Оскільки для створення мікросхеми потрібно дуже багато ресурсів, точне моделювання є важливим для великомасштабних оптоелектронних схем.
Моди хвилеводу, зв’язок мод, втрати та посилення, а також передача світлових сигналів моделюються в конструкції оптичного хвилеводу.
Хвилевідний пристрій описується в одному розділі вхідних даних його геометрією, виробничими факторами та константами матеріалу.
В ідеалі хвилеводні дані слід вводити за допомогою макета проекту з програмним забезпеченням, яке також може керувати виробничими параметрами.
Для налаштування числових обчислень введення даних також включає ще один компонент. В ідеальному світі системи введення приховали б або обмежили специфіку чисельних обчислень.
Але оскільки хвилеводне моделювання часто використовує складні чисельні процедури, ви повинні бути знайомі з деякими елементами базових чисел.
Фотонні ланцюги будуються за допомогою хвилеводів. Перпендикулярно маршруту вздовж центру хвилеводу визначається ширина хвилеводу, фіксована чи змінна.
Основи оптичного хвилеводу
Як показано на малюнку, концепції геометричної або променевої оптики можна використовувати для передачі фундаментальних ідей, що лежать в основі оптичних хвилеводів.
Заломлення – це процес, за допомогою якого світло, що потрапляє в матеріал із вищим показником заломлення, згинається до нормалі.
Розглянемо випадок, коли світло проникає в скло з повітря. Подібно до того, як світло, що рухається в інший бік, від скла до повітря, йде тим самим маршрутом і відхиляється від звичайного. Це відбувається через симетрію зворотного часу. Кожен промінь у повітрі можна відобразити на промінь у склі.
Існують стосунки один до одного. Але деякі промені світла в склі пропускаються через заломлення. Працюючим механізмом є повне внутрішнє відбиття, яке затримує залишки світла в склі.
Під кутом, що перевищує критичний, вони падають на склоповітряний контакт. У більш складних формулюваннях, побудованих на функції Гріна, ці додаткові промені корелюють з більшою щільністю станів.
У діелектричному хвилеводі ми можемо вловлювати та направляти світло за допомогою повного внутрішнього відбиття. Промені червоного світла відбиваються від верхньої та нижньої поверхонь середовища з високим індексом.
Поки плита згинається поступово, її можна направляти, навіть коли вона вигинається або згинається. Світло направляється вздовж скляної серцевини з високим індексом у скляній оболонці з нижчим індексом відповідно до цього фундаментального принципу волоконної оптики.
Робота хвилеводу лише приблизно зображена променевою оптикою. Для опису повного поля діелектричного хвилеводу рівняння Максвелла можна розв’язати аналітично або чисельно.
Приклад оптичного хвилеводу
Діелектричні пластинчасті хвилеводи, також відомі як планарні хвилеводи, є, мабуть, основним типом оптичних хвилеводів.
Матричні хвилеводні решітки, акустооптичні фільтри та модулятори – це лише деякі вбудовані в мікросхему пристрої, які можуть використовувати плитні хвилеводи через їхню простоту.
Плитні хвилеводи також часто використовуються як іграшкові моделі.
Три шари матеріалів, кожен з яких має певну діелектричну проникність, поєднуються, щоб утворити плитний хвилевід, який може необмежено простягатися в напрямках, паралельних межам розділу між ними.
Якщо центральний шар має вищий показник заломлення, ніж зовнішні шари, світло утримується в середньому шарі через повне внутрішнє відбиття.
Деякі приклади 2-вимірного хвилеводу
Смуговий хвилевід
По суті, смужка шару, яка втиснута між шарами оболонки, є тим, що утворює смужковий хвилевід.
Направляючий шар пластинчастого хвилеводу обмежений в обох поперечних напрямках, а не просто в одному, що призводить до найпростішого прикладу прямокутного хвилеводу. Як інтегровані оптичні схеми, так і лазерні діоди використовують прямокутні хвилеводи.
Вони часто служать основою для оптичних частин, таких як інтерферометри Маха-Цендера та мультиплексори з розділенням довжин хвиль. Багато разів прямокутні оптичні хвилеводи використовуються для створення порожнин лазерних діодів.
Планарна техніка зазвичай використовується для створення оптичних хвилеводів прямокутної форми.
Реберний хвилевід
У ребристому хвилеводі направляючий шар по суті є плитою зі смугою (або декількома смугами), накладеною поверх неї.
У багатошарових ребристих структурах можливе утримання майже одиниці, а також утримання хвилі в двох вимірах у ребристих хвилеводах.
Фотонно-кристалічний хвилевід і сегментований хвилевід
Уздовж свого шляху поширення оптичні хвилеводи зазвичай мають постійний поперечний переріз. Така ситуація, наприклад, зі стрічковими та ребристими хвилеводами.
Використовуючи так звані моди Блоха, хвилеводи також можуть мати періодичні варіації свого поперечного перерізу і при цьому пропускати світло без будь-яких втрат.
Ці хвилеводи класифікуються як фотонно-кристалічні хвилеводи (з двовимірним або тривимірним візерунком) або сегментовані хвилеводи (з одновимірним малюнком уздовж напрямку розповсюдження).
Лазерно вписаний хвилевід
Галузь фотоніки – це те, де оптичні хвилеводи є найбільш корисними. Інтеграція між електричними мікросхемами та оптичними волокнами стає можливою завдяки встановленню хвилеводів у 3D-просторі.
За допомогою таких хвилеводів можна поширювати одну моду інфрачервоного випромінювання на телекомунікаційних хвилях, які також налаштовані на передачу оптичних сигналів між вхідними та вихідними ділянками з надзвичайно малими втратами.
Використання оптичного хвилеводу
У мікрохвильових системах зв'язку, радіомовлення та радіолокаційних системах хвилевід є електромагнітною лінією живлення. Хвилевід складається з прямокутної або циліндричної металевої труби.
Електромагнітне поле поширюється поздовжньо. Рупорні та тарілчасті антени є найбільш типовими хвилеводами.
Оптичне волокно — це хвилевід?
Повне внутрішнє відбиття, яке визначає функціонування оптичного волокна, можна розглядати як світловод.
Якщо кут падіння більший за критичний кут, повне внутрішнє відбиття відбувається, коли хвиля, що поширюється, стикається з кордоном між двома різними матеріалами.
Висновок
Підсумовуючи, оптичний хвилевід — це структура, яка «направляє» світлову хвилю, не даючи їй рухатись у напрямку, відмінному від бажаного. У медичній промисловості оптичні волокна часто використовуються як для діагностики, так і для терапії.
Гнучкі нитки з оптичних волокон можна помістити в легені, кровоносні артерії та інші органи. Одна довга трубка містить два пучки оптичних волокон всередині ендоскопа, медичного пристрою.
Детальне зображення створюється шляхом направлення світла на досліджувану тканину в одному пучку, одночасно приймаючи відбите від неї світло в іншому пучку. Ендоскопи можна використовувати для огляду певних частин тіла або суглобів, наприклад колін.
залишити коментар