在光譜中引導電磁波的物理對象稱為光波導。
由塑料和玻璃以及光纖組成的透明介質波導是光波導的典型形式。
光可以傳播的空間範圍受到光波導的限制,該光波導是用於引導光的空間不均勻裝置。
通常,波導具有折射率高於周圍介質的部分(稱為包層)。
在本文中,我們將研究光波導的原理、一些示例等等。
光波導簡介
光子器件的基本構建塊是光波導,它引導、耦合、切換、分割、復用和解復用光信號。
使用類似於微電子學的平面技術,無源波導、電光元件、發射器、接收器和驅動電子器件都可以組合到單個芯片上。
波導器件的性能取決於多種因素,包括幾何形狀、波長、初始場分佈、材料信息和電光驅動條件,儘管事實上它們的功能已被廣泛研究和理解。
在製作小工具之前,需要調整某些參數。 由於創建芯片需要大量資源,因此精確建模對於大規模光電電路至關重要。
波導模式、模式耦合、損耗和增益,以及光信號的傳輸,都在光波導設計中進行了仿真。
波導設備在條目數據的一部分中通過其幾何形狀、製造因素和材料常數進行了描述。
理想情況下,波導數據應使用項目佈局和軟件輸入,該軟件還可以管理製造參數。
對於設置數值計算,輸入數據還包括另一個組件。 在一個完美的世界中,輸入系統會隱藏或限制數值計算的細節。
但由於波導建模經常使用複雜的數值程序,因此您需要熟悉基礎數值的一些元素。
光子電路是使用波導構建的。 與沿波導中心的路徑垂直的是波導寬度的定義,無論是固定的還是變化的。
光波導基本原理
如圖所示,幾何或射線光學概念可用於傳達支撐光波導的基本思想。
折射是進入具有較高折射率的材料的光向法線彎曲的過程。
考慮光從空氣進入玻璃的情況。 類似於光線如何以另一種方式移動,從玻璃到空氣,遵循相同的路線並偏離通常的路線。 由於時間反演對稱性,這是結果。 可以將空氣中的每條光線映射到玻璃中的一條光線。
存在一對一的關係。 但是玻璃中的一些光線由於折射而被遺漏。 全內反射將剩餘的光捕獲在玻璃中,是起作用的機制。
它們以超過臨界角的角度入射到玻璃-空氣接觸處。 在基於格林函數的更複雜的公式中,這些額外的射線與更大的狀態密度相關。
在電介質波導中,我們可以通過使用全內反射來捕獲和引導光。 紅色光線從高指數介質的頂面和底面反射。
只要板坯逐漸彎曲,即使彎曲或彎曲也可以定向。 根據光纖中的這一基本原理,光沿著低折射率玻璃包層中的高折射率玻璃芯引導。
波導操作僅由射線光學粗略描述。 對於介電波導的全場描述,麥克斯韋方程可以解析或數值求解。
光波導示例
介質板波導,也稱為平面波導,可能是最基本的一種光波導。
陣列波導光柵、聲光濾波器和調製器只是少數可以使用平板波導的片上器件,因為它們很簡單。
平板波導也經常用作玩具模型。
三層材料,每一層都具有不同的介電常數,組合在一起形成平板波導,它可以在平行於它們之間界面的方向上無限延伸。
如果中心層的折射率高於外層,則光通過全內反射包含在中間層中。
二維波導的一些示例
帶狀波導
基本上,擠在包層之間的層條帶構成條帶波導。
平板波導的引導層在兩個橫向方向上都受到約束,而不僅僅是一個方向,從而產生了矩形波導的最簡單示例。 集成光路和激光二極管都採用矩形波導。
它們經常作為馬赫-曾德爾干涉儀和波分複用器等光學部件的基礎。 很多時候,矩形光波導用於構建激光二極管的腔體。
平面技術通常用於創建具有矩形形狀的光波導。
肋形波導
在脊形波導中,引導層本質上是一塊平板,上面覆蓋有一條(或多條)。
在多層肋狀結構中,接近統一的限制是可能的,以及在肋狀波導中二維限制波。
光子晶體波導和分段波導
沿著它們的傳播路徑,光波導通常保持恆定的橫截面。 例如,帶狀和肋狀波導就是這種情況。
通過使用所謂的布洛赫模式,波導還可以在其橫截面中具有周期性變化,並且在沒有任何損耗的情況下傳輸光。
這些波導分為光子晶體波導(具有 2D 或 3D 圖案)或分段波導(具有沿傳播方向的 1D 圖案)。
激光刻印波導
光子學行業是光波導最有用的領域。 通過在 3D 空間中設置波導,可以實現電子芯片和光纖之間的集成。
使用這種波導可以傳播電信波長的單模紅外光,這種波導還可以在輸入和輸出站點之間以極少的損耗傳輸光信號。
光波導用途
在微波通信、廣播和雷達系統中,波導是電磁饋線。 波導由矩形或圓柱形的金屬管或管製成。
電磁場縱向傳播。 喇叭和碟形天線是最典型的波導應用。
光纖——它是波導嗎?
控制光纖如何工作的全內反射可以被認為是光波導。
如果入射角大於臨界角,當傳播波遇到兩種不同材料之間的邊界時,就會發生全內反射。
結論
總而言之,光波導是一種“引導”光波的結構,它防止光波沿與所需方向不同的方向傳播。 在醫療行業,光纖經常用於診斷和治療。
由光纖製成的柔性股線可以放入肺、血動脈和其他器官中。 一根長管內窺鏡(一種醫療設備)內裝有兩束光纖。
通過將光引導到一個束中的待測組織,同時接收另一束中從它反射的光,可以創建詳細的圖片。 可以製作內窺鏡來檢查某些身體部位或關節,例如膝蓋。
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