在光谱中引导电磁波的物理对象称为光波导。
由塑料和玻璃以及光纤组成的透明介质波导是光波导的典型形式。
光可以传播的空间范围受到光波导的限制,该光波导是用于引导光的空间不均匀装置。
通常,波导具有折射率高于周围介质的部分(称为包层)。
在本文中,我们将研究光波导的原理、一些示例等等。
光波导简介
光子器件的基本构建块是光波导,它引导、耦合、切换、分割、复用和解复用光信号。
使用类似于微电子学的平面技术,无源波导、电光元件、发射器、接收器和驱动电子器件都可以组合到单个芯片上。
波导器件的性能取决于多种因素,包括几何形状、波长、初始场分布、材料信息和电光驱动条件,尽管事实上它们的功能已被广泛研究和理解。
在制作小工具之前,需要调整某些参数。 由于创建芯片需要大量资源,因此精确建模对于大规模光电电路至关重要。
波导模式、模式耦合、损耗和增益,以及光信号的传输,都在光波导设计中进行了仿真。
波导设备在条目数据的一部分中通过其几何形状、制造因素和材料常数进行了描述。
理想情况下,波导数据应使用项目布局和软件输入,该软件还可以管理制造参数。
对于设置数值计算,输入数据还包括另一个组件。 在一个完美的世界中,输入系统会隐藏或限制数值计算的细节。
但由于波导建模经常使用复杂的数值程序,因此您需要熟悉基础数值的一些元素。
光子电路是使用波导构建的。 与沿波导中心的路径垂直的是波导宽度的定义,无论是固定的还是变化的。
光波导基本原理
如图所示,几何或射线光学概念可用于传达支撑光波导的基本思想。
折射是进入具有较高折射率的材料的光向法线弯曲的过程。
考虑光从空气进入玻璃的情况。 类似于光线如何以另一种方式移动,从玻璃到空气,遵循相同的路线并偏离通常的路线。 由于时间反演对称性,这是结果。 可以将空气中的每条光线映射到玻璃中的一条光线。
存在一对一的关系。 但是玻璃中的一些光线由于折射而被遗漏。 全内反射将剩余的光捕获在玻璃中,是起作用的机制。
它们以超过临界角的角度入射到玻璃-空气接触处。 在基于格林函数的更复杂的公式中,这些额外的射线与更大的状态密度相关。
在电介质波导中,我们可以通过使用全内反射来捕获和引导光。 红色光线从高指数介质的顶面和底面反射。
只要板坯逐渐弯曲,即使弯曲或弯曲也可以定向。 根据光纤中的这一基本原理,光沿着低折射率玻璃包层中的高折射率玻璃芯引导。
波导操作仅由射线光学粗略描述。 对于介电波导的全场描述,麦克斯韦方程可以解析或数值求解。
光波导示例
介质板波导,也称为平面波导,可能是最基本的一种光波导。
阵列波导光栅、声光滤波器和调制器只是少数可以使用平板波导的片上器件,因为它们很简单。
平板波导也经常用作玩具模型。
三层材料,每一层都具有不同的介电常数,它们组合在一起形成平板波导,它可以在平行于它们之间界面的方向上无限延伸。
如果中心层的折射率高于外层,则光通过全内反射包含在中间层中。
二维波导的一些示例
带状波导
基本上,挤在包层之间的层条带构成条带波导。
平板波导的引导层在两个横向方向上都受到约束,而不仅仅是一个方向,从而产生了矩形波导的最简单示例。 集成光路和激光二极管都采用矩形波导。
它们经常作为马赫-曾德尔干涉仪和波分复用器等光学部件的基础。 很多时候,矩形光波导用于构建激光二极管的腔体。
平面技术通常用于创建具有矩形形状的光波导。
肋形波导
在脊形波导中,引导层本质上是一块平板,上面覆盖有一条(或多条)。
在多层肋状结构中,接近统一的限制是可能的,以及在肋状波导中二维限制波。
光子晶体波导和分段波导
沿着它们的传播路径,光波导通常保持恒定的横截面。 例如,带状和肋状波导就是这种情况。
通过使用所谓的布洛赫模式,波导还可以在其横截面中具有周期性变化,并且在没有任何损耗的情况下传输光。
这些波导分为光子晶体波导(具有 2D 或 3D 图案)或分段波导(具有沿传播方向的 1D 图案)。
激光刻印波导
光子学行业是光波导最有用的领域。 通过在 3D 空间中设置波导,可以实现电子芯片和光纤之间的集成。
使用这种波导可以传播电信波长的单模红外光,这些波导还可以在输入和输出站点之间以极少的损耗传输光信号。
光波导用途
在微波通信、广播和雷达系统中,波导是电磁馈线。 波导由矩形或圆柱形的金属管或管制成。
电磁场纵向传播。 喇叭和碟形天线是最典型的波导应用。
光纤——它是波导吗?
控制光纤如何工作的全内反射可以被认为是光波导。
如果入射角大于临界角,当传播波遇到两种不同材料之间的边界时,就会发生全内反射。
结论
总而言之,光波导是一种“引导”光波的结构,它防止光波沿与所需方向不同的方向传播。 在医疗行业,光纤经常用于诊断和治疗。
由光纤制成的柔性股线可以放入肺、血动脉和其他器官中。 一根长管内窥镜(一种医疗设备)内装有两束光纤。
通过将光引导到一个束中的待测组织,同时接收另一束中从它反射的光,可以创建详细的图片。 可以制作内窥镜来检查某些身体部位或关节,例如膝盖。
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