Mục lục[Ẩn giấu][Chỉ]
Vật lý hướng sóng điện từ trong quang phổ được gọi là ống dẫn sóng quang.
Các ống dẫn sóng điện môi trong suốt bao gồm nhựa và thủy tinh, cũng như sợi quang, là các dạng ống dẫn sóng quang học điển hình.
Phạm vi không gian mà ánh sáng có thể truyền bị hạn chế bởi ống dẫn sóng quang học, là một thiết bị không đồng nhất trong không gian để định hướng ánh sáng.
Thông thường, một ống dẫn sóng có một phần mà chiết suất cao hơn môi trường xung quanh (được gọi là lớp phủ).
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các nguyên tắc của ống dẫn sóng quang học, một số ví dụ, và nhiều hơn nữa.
Giới thiệu về ống dẫn sóng quang học
Các khối xây dựng cơ bản của các thiết bị quang tử là các ống dẫn sóng quang, dẫn tín hiệu quang trực tiếp, ghép nối, chuyển mạch, phân chia, ghép kênh và phân kênh.
Sử dụng công nghệ phẳng, tương tự như vi điện tử, ống dẫn sóng thụ động, các thành phần điện động, máy phát, máy thu và thiết bị điện tử điều khiển đều có thể được kết hợp vào một chip duy nhất.
Hiệu suất của các thiết bị dẫn sóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hình học, bước sóng, phân bố trường ban đầu, thông tin vật liệu và điều kiện truyền động điện, mặc dù thực tế là chức năng của chúng đã được nghiên cứu và hiểu rõ.
Trước khi tạo một tiện ích, một số thông số nhất định cần được điều chỉnh. Vì cần rất nhiều tài nguyên để tạo ra một con chip, nên việc mô hình hóa chính xác là điều cần thiết cho các mạch quang điện tử quy mô lớn.
Các chế độ ống dẫn sóng, ghép chế độ, suy hao và tăng ích, cũng như việc truyền tín hiệu ánh sáng, tất cả đều được mô phỏng trong thiết kế ống dẫn sóng quang học.
Thiết bị ống dẫn sóng được mô tả trong một phần của dữ liệu đầu vào theo hình dạng, yếu tố sản xuất và hằng số vật liệu của nó.
Dữ liệu ống dẫn sóng lý tưởng nên được nhập bằng cách sử dụng bố cục dự án với phần mềm cũng có thể quản lý các thông số sản xuất.
Để thiết lập các phép tính số, việc nhập dữ liệu cũng bao gồm một thành phần khác. Trong một thế giới hoàn hảo, các hệ thống đầu vào sẽ ẩn hoặc hạn chế các chi tiết cụ thể của phép tính số.
Nhưng vì mô hình ống dẫn sóng thường sử dụng các thủ tục số phức tạp, bạn cần phải làm quen với một số yếu tố của các số cơ bản.
Các mạch quang tử được xây dựng bằng cách sử dụng ống dẫn sóng. Vuông góc với tuyến đường dọc theo tâm ống dẫn sóng là định nghĩa về chiều rộng của ống dẫn sóng, cho dù là cố định hay thay đổi.
Nguyên lý cơ bản của ống dẫn sóng quang
Như trong hình, các khái niệm hình học hoặc quang học tia có thể được sử dụng để truyền đạt những ý tưởng cơ bản làm nền tảng cho các ống dẫn sóng quang học.
Khúc xạ là quá trình ánh sáng đi vào vật liệu có chiết suất cao hơn sẽ uốn cong về phía pháp tuyến.
Xét trường hợp ánh sáng lọt vào kính từ không khí. Tương tự như cách ánh sáng chuyển động theo hướng khác, từ thủy tinh sang không khí, đi theo cùng một lộ trình và lệch khỏi thông thường. Do tính đối xứng đảo ngược thời gian, điều này dẫn đến kết quả. Có thể ánh xạ mỗi tia trong không khí thành một tia trong kính.
Mối quan hệ một-một tồn tại. Nhưng một số tia sáng trong thủy tinh bị bỏ sót do hiện tượng khúc xạ. Cơ chế phản xạ toàn phần bên trong, giữ ánh sáng còn lại trong kính, là cơ chế hoạt động.
Ở một góc so với góc tới hạn, chúng là tới khi tiếp xúc giữa kính và không khí. Trong các công thức phức tạp hơn được xây dựng dựa trên chức năng của Green, những tia bổ sung này tương quan với mật độ trạng thái lớn hơn.
Trong ống dẫn sóng điện môi, chúng ta có thể thu và định hướng ánh sáng bằng cách sử dụng phản xạ toàn phần bên trong. Các tia sáng đỏ phản xạ khỏi bề mặt trên và dưới của phương tiện có chỉ số cao.
Miễn là bản sàn uốn cong dần dần, nó có thể được hướng ngay cả khi nó uốn cong hoặc uốn cong. Ánh sáng được dẫn dọc theo lõi thủy tinh có chỉ số cao trong lớp phủ thủy tinh có chỉ số thấp hơn theo nguyên tắc cơ bản này trong sợi quang học.
Hoạt động của ống dẫn sóng chỉ được mô tả đại khái bằng quang học tia. Đối với mô tả trường đầy đủ của một ống dẫn sóng điện môi, các phương trình của Maxwell có thể được giải về mặt phân tích hoặc số.
Ví dụ về ống dẫn sóng quang học
Ống dẫn sóng tấm điện môi, còn được gọi là ống dẫn sóng phẳng, có lẽ là loại ống dẫn sóng quang cơ bản nhất.
Cách mạng ống dẫn sóng dạng mảng, bộ lọc quang học và bộ điều chế chỉ là một vài thiết bị trên chip có thể sử dụng ống dẫn sóng dạng phiến vì tính đơn giản của chúng.
Các ống dẫn sóng dạng phiến cũng thường được sử dụng làm mô hình đồ chơi.
Ba lớp vật liệu, mỗi lớp có hằng số điện môi riêng biệt, được kết hợp để tạo thành ống dẫn sóng dạng phiến, có thể kéo dài vô hạn theo các hướng song song với mặt phân cách giữa chúng.
Nếu lớp trung tâm có chiết suất cao hơn các lớp bên ngoài, thì ánh sáng được chứa ở lớp giữa thông qua phản xạ toàn phần bên trong.
Một số ví dụ về ống dẫn sóng 2 chiều
Dải ống dẫn sóng
Về cơ bản, một dải của lớp được ép vào giữa các lớp ốp là những gì tạo nên một ống dẫn sóng dải.
Lớp dẫn hướng của ống dẫn sóng phiến bị hạn chế theo cả hai hướng ngang chứ không chỉ đơn giản là một, dẫn đến ví dụ đơn giản nhất về ống dẫn sóng hình chữ nhật. Cả mạch quang tích hợp và điốt laze đều sử dụng ống dẫn sóng hình chữ nhật.
Chúng thường đóng vai trò là nền tảng cho các bộ phận quang học như giao thoa kế Mach-Zehnder và bộ ghép kênh phân chia bước sóng. Nhiều lần, các ống dẫn sóng quang học hình chữ nhật được sử dụng để tạo ra các hốc của điốt laze.
Kỹ thuật phẳng thường được sử dụng để tạo ra các ống dẫn sóng quang có hình dạng hình chữ nhật.
Ống dẫn sóng sườn
Trong ống dẫn sóng dạng sườn, lớp dẫn hướng về cơ bản là một tấm với một dải (hoặc nhiều dải) được phủ lên trên nó.
Trong cấu trúc sườn nhiều lớp, có thể hạn chế gần như thống nhất cũng như hạn chế sóng theo hai chiều trong ống dẫn sóng dạng sườn.
Ống dẫn sóng tinh thể quang tử và ống dẫn sóng phân đoạn
Dọc theo đường truyền của chúng, các ống dẫn sóng quang học thường giữ một tiết diện không đổi. Đây là tình huống, ví dụ, với ống dẫn sóng dải và sườn.
Bằng cách sử dụng cái gọi là chế độ Bloch, các ống dẫn sóng cũng có thể có các biến đổi tuần hoàn trong tiết diện của chúng và vẫn truyền ánh sáng mà không bị suy hao.
Các ống dẫn sóng này được phân loại là ống dẫn sóng tinh thể quang tử (với kiểu 2D hoặc 3D) hoặc ống dẫn sóng phân đoạn (với kiểu 1D dọc theo hướng truyền).
Ống dẫn sóng được khắc bằng laze
Ngành quang tử là nơi các ống dẫn sóng quang học hữu ích nhất. Việc tích hợp giữa chip điện và sợi quang được thực hiện bằng cách thiết lập các ống dẫn sóng trong không gian 3D.
Một chế độ ánh sáng hồng ngoại duy nhất ở các bước sóng viễn thông có thể được lan truyền bằng cách sử dụng các ống dẫn sóng như vậy, các ống dẫn sóng này cũng được thiết lập để mang tín hiệu quang giữa các vị trí đầu vào và đầu ra với mức suy hao cực kỳ nhỏ.
Sử dụng ống dẫn sóng quang học
Trong các hệ thống thông tin liên lạc, phát sóng và radar vi sóng, ống dẫn sóng là một đường dẫn điện từ. Ống dẫn sóng được làm từ một ống kim loại hoặc ống có hình chữ nhật hoặc hình trụ.
Trường điện từ lan truyền theo chiều dọc. Ăng-ten sừng và ăng-ten đĩa là những ứng dụng ống dẫn sóng điển hình nhất.
Sợi quang — nó có phải là một ống dẫn sóng không?
Phản xạ toàn phần bên trong, chi phối cách hoạt động của sợi quang, có thể được coi như một ống dẫn sóng ánh sáng.
Nếu góc tới lớn hơn góc tới hạn, thì phản xạ toàn phần bên trong xảy ra khi một sóng truyền đi gặp ranh giới giữa hai vật liệu khác nhau.
Kết luận
Tóm lại, ống dẫn sóng quang học là một cấu trúc "hướng dẫn" sóng ánh sáng bằng cách ngăn nó truyền đi theo hướng khác với hướng mong muốn. Trong ngành y tế, sợi quang thường được sử dụng cho cả chẩn đoán và điều trị.
Các sợi linh hoạt làm bằng sợi quang học có thể được đặt vào phổi, động mạch máu và các cơ quan khác. Một ống dài chứa hai bó sợi quang bên trong một ống nội soi, một thiết bị y tế.
Hình ảnh chi tiết được tạo ra bằng cách hướng ánh sáng về phía mô được kiểm tra trong một bó trong khi nhận được ánh sáng phản xạ từ nó trong bó kia. Nội soi có thể được thực hiện để kiểm tra các bộ phận cơ thể hoặc khớp nhất định, chẳng hạn như đầu gối.
Bình luận