Волновод (оптика) - Waveguide (optics)
Оптический волновод является физической структурой , которая направляет электромагнитные волны в оптическом спектре . Распространенные типы оптических волноводов включают оптическое волокно и прозрачные диэлектрические волноводы из пластика и стекла.
Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегральных оптических схемах или в качестве среды передачи в локальных и дальних оптических системах связи .
Оптические волноводы можно классифицировать по их геометрии (планарные, полосковые или волоконно-оптические волноводы), модовой структуре ( одномодовой , многомодовой ), распределению показателя преломления (ступенчатый или градиентный показатель) и материалу ( стекло , полимер , полупроводник ).
Диэлектрический пластинчатый волновод
Практические оптические волноводы с прямоугольной геометрией легче всего понять как варианты теоретического диэлектрического пластинчатого волновода , также называемого планарным волноводом . Плоский волновод состоит из трех слоев материалов с различной диэлектрической проницаемостью, бесконечно простирающихся в направлениях, параллельных их границам раздела.
Свет может быть ограничен в среднем слое за счет полного внутреннего отражения . Это происходит только в том случае, если диэлектрический показатель среднего слоя больше, чем у окружающих слоев. На практике плоские волноводы не бесконечны в направлении, параллельном границе раздела, но если типичный размер границ намного больше, чем глубина слоя, модель пластинчатого волновода будет отличным приближением. Управляемые моды пластинчатого волновода не могут быть возбуждены светом, падающим с верхней или нижней границы раздела. Свет нужно вводить линзой сбоку в средний слой. В качестве альтернативы для ввода света в волновод может использоваться элемент связи, такой как решетчатый элемент связи или призменный элемент связи.
Одной из моделей направленных мод является модель плоской волны, отраженной назад и вперед между двумя границами раздела среднего слоя, под углом падения между направлением распространения света и нормальным или перпендикулярным направлением к границе раздела материалов больше чем критический угол . Критический угол зависит от показателя преломления материалов, который может варьироваться в зависимости от длины волны света. Такое распространение приведет к управляемому режиму только при дискретном наборе углов, где отраженная плоская волна не мешает сама себе деструктивно.
Эта структура ограничивает электромагнитные волны только в одном направлении и поэтому не имеет практического применения. Однако структуры, которые можно представить как пластинчатые волноводы, иногда встречаются как случайные структуры в других устройствах.
Волноводы используются в очках дополненной реальности , есть 2 технологии: дифракционные волноводы и отражающие волноводы.
Двумерные волноводы
Ленточные волноводы
Полоса волновод в основном полоса слоя , заключенного между облицовочными слоями. Самый простой случай - прямоугольный волновод , который формируется, когда направляющий слой пластинчатого волновода ограничен в обоих поперечных направлениях, а не только в одном. Прямоугольные волноводы используются в интегральных оптических схемах и в лазерных диодах . Они обычно используются в качестве основы таких оптических компонентов, как интерферометры Маха – Цендера и мультиплексоры с разделением по длине волны . В полости из лазерных диодов часто построены в виде прямоугольных оптических волноводов. Оптические волноводы с прямоугольной геометрией изготавливаются различными способами, обычно планарным способом .
Распределение поля в прямоугольном волноводе не может быть решена аналитически, однако приближенные методы решения, такие как метод Marcatili в , метод расширенной Marcatili в и метода Кумар , известны.
Ребристые волноводы
Ребра волновод представляет собой волновод , в котором направляющий слой в основном состоит из плиты с полосой (или несколько полос) , наложенной на него. Ребристые волноводы также обеспечивают ограничение волны в двух измерениях, и в многослойных ребристых структурах возможно удержание, близкое к единице.
Сегментированные волноводы и фотонно-кристаллические волноводы
Оптические волноводы обычно поддерживают постоянное поперечное сечение вдоль направления распространения. Это, например, случай полосовых и ребристых волноводов. Однако волноводы также могут иметь периодические изменения в своем поперечном сечении, при этом позволяя передавать свет без потерь через так называемые блоховские моды. Такие волноводы называются сегментированными волноводами (с одномерным рисунком вдоль направления распространения) или фотонно-кристаллическими волноводами (с двухмерным или трехмерным рисунком).
Волноводы с лазерной гравировкой
Наиболее важное применение оптические волноводы находят в фотонике . Конфигурация волноводов в трехмерном пространстве обеспечивает интеграцию электронных компонентов на кристалле и оптических волокон. Такие волноводы могут быть спроектированы для одномодового распространения инфракрасного света на длинах волн электросвязи и сконфигурированы для доставки оптического сигнала между точками входа и выхода с очень низкими потерями.
Один из методов создания таких волноводов использует фоторефрактивный эффект в прозрачных материалах. Увеличение показателя преломления материала может быть вызвано нелинейным поглощением импульсного лазерного света. Для максимального увеличения показателя преломления используются очень короткие (обычно фемтосекундные) лазерные импульсы, фокусируемые объективом микроскопа с высокой числовой апертурой. Путем перемещения фокального пятна через объемный прозрачный материал можно прямо записать волноводы. В одном из вариантов этого метода используется объектив микроскопа с малой числовой апертурой и фокусное пятно перемещается вдоль оси луча. Это улучшает перекрытие между сфокусированным лазерным лучом и фоторефрактивным материалом, тем самым снижая мощность, необходимую для лазера.
Когда прозрачный материал подвергается воздействию несфокусированного лазерного луча достаточной яркости для инициирования фоторефрактивного эффекта, волноводы могут начать формироваться сами по себе в результате накопленной самофокусировки . Формирование таких волноводов приводит к разрыву лазерного луча. Продолжительное экспонирование приводит к увеличению показателя преломления по направлению к центральной линии каждого волновода и уменьшению диаметра модового поля распространяющегося света. Такие волноводы постоянно остаются в стекле и их можно фотографировать в автономном режиме (см. Рисунок справа).
Световые трубы
Световые трубки - это трубки или цилиндры из твердого материала, используемые для направления света на короткое расстояние. В электронике пластиковые световые трубки используются для направления света от светодиодов на печатной плате к поверхности пользовательского интерфейса. В зданиях световые трубы используются для передачи освещения снаружи здания туда, где оно необходимо внутри.
Оптоволокно
Оптическое волокно обычно представляет собой диэлектрический волновод с круглым поперечным сечением, состоящий из диэлектрического материала, окруженного другим диэлектрическим материалом с более низким показателем преломления . Оптические волокна обычно сделаны из кварцевого стекла , однако другие стеклянные материалы используются для некоторых применений и пластикового оптического волокна может быть использован для коротких расстояний приложений.
Смотрите также
- СТРЕЛКА волновод
- Длина волны отсечки
- Диэлектрическая постоянная
- Цифровая планарная голография
- Электромагнитное излучение
- Волноводный усилитель, легированный эрбием
- Распределение равновесного режима
- Утечный режим
- Световодный дисплей
- Среда передачи
- Волновод
- Волновод (электромагнетизм)
- Фотонно-кристаллическое волокно
- Фотонный кристалл
- Призменный соединитель
- Нулевой волновод