Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из оптического волновода )
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 в соответствии с их геометрией (планарные, полосовые или волоконно-оптические волноводы), модовой структурой ( одномодовой , многомодовой ), распределением показателя преломления (ступенчатый или градиентный показатель) и материалом ( стекло , полимер , полупроводник ).

Диэлектрический пластинчатый волновод [ править ]

Диэлектрический пластинчатый волновод состоит из трех диэлектрических слоев с разными показателями преломления.

Практические оптические волноводы прямоугольной геометрии наиболее легко понять , как варианты теоретической диэлектрической плиты волновода , [1] также называется планарного волновода . [2] Пластинчатый волновод состоит из трех слоев материалов с разными диэлектрическими постоянными, бесконечно расширяющихся 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 [ править ]

Смотрите также: Планарная линия передачи § Imageline

Ленточные волноводы [ править ]

Полоса волновод в основном полоса слоя , заключенного между облицовочными слоями. Самый простой случай - это 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 диодовчасто строятся в виде прямоугольных оптических волноводов. Оптические волноводы с прямоугольной геометрией изготавливаются различными способами, обычно планарным способом . [ необходима цитата ]

Распределение поля в прямоугольном волноводе не может быть решена аналитически, однако приближенные методы решения, такие как метод Marcatili в , [3] Расширенный метод Marcatili в [4] и метод Кумара , [5] известны.

Ребристые волноводы [ править ]

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. [6]

Сегментированные волноводы и волноводы на фотонных кристаллах [ править ]

Оптические волноводы обычно поддерживают постоянное поперечное сечение вдоль направления распространения. Это, например, случай полосовых и ребристых волноводов. Однако волноводы также могут иметь периодические изменения своего поперечного сечения, при этом позволяя передавать свет без потерь через так называемые блоховские моды. Такие волноводы называют сегментированными волноводами (с одномерным рисунком вдоль направления распространения [7] ) или фотонно-кристаллическими волноводами (с двухмерным или трехмерным рисунком [8] ).

Волноводы с лазерной гравировкой [ править ]

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 телекоммуникационных длинах волн и сконфигурированы для доставки оптического сигнала между точками входа и выхода с очень низкими потерями.

Оптические волноводы, сформированные в чистом кварцевом стекле в результате накопленного эффекта самофокусировки при лазерном облучении 193 нм. Снимок сделан с помощью просвечивающей микроскопии с коллимированным освещением.

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. [9] 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. [10]

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 . [11] Формирование таких волноводов приводит к разрыву лазерного луча. Продолжительная экспозиция 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 [ править ]

Основная статья: световая трубка

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. [ необходима цитата ]

Оптическое волокно [ править ]

Распространение света по многомодовому оптическому волокну.
Основная статья: Оптическое волокно

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. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • СТРЕЛКА волновод
  • Длина волны отсечки
  • Диэлектрическая постоянная
  • Цифровая планарная голография
  • Электромагнитное излучение
  • Волноводный усилитель, легированный эрбием
  • Распределение равновесного режима
  • Утечный режим [12]
  • Световодный дисплей
  • Среда передачи
  • Волновод
  • Волновод (электромагнетизм)
  • Фотонно-кристаллическое волокно
  • Фотонный кристалл
  • Призматическая муфта
  • Нулевой волновод

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Рамо, Саймон, Джон Р. Виннери и Теодор ван Дузер, Поля и волны в коммуникационной электронике , 2-е изд., Джон Вили и сыновья, Нью-Йорк, 1984.
  2. ^ "Кремниевая фотоника", Грэм Т. Рид, Эндрю П. Найтс
  3. ^ Marcatili, Eaj (1969). «Диэлектрический прямоугольный волновод и направленный ответвитель для интегральной оптики». Bell Syst. Tech. Дж . 48 (7): 2071–2102. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1969.tb01166.x .
  4. ^ Westerveld, WJ, Leinders, SM, ван Донген, KWA, Урбах, HP и ЮСЕФИ, M (2012). «Расширение аналитического подхода Маркатили для прямоугольных кремниевых оптических волноводов». Журнал Lightwave Technology . 30 (14): 2388–2401. arXiv : 1504.02963 . Bibcode : 2012JLwT ... 30.2388W . DOI : 10,1109 / JLT.2012.2199464 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. Перейти ↑ Kumar, A., K. Thyagarajan и AK Ghatak. (1983). «Анализ диэлектрических волноводов с прямоугольной сердцевиной - точный подход к возмущениям». Опт. Lett . 8 (1): 63–65. Bibcode : 1983OptL .... 8 ... 63K . DOI : 10.1364 / ol.8.000063 . PMID 19714136 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ Талукдар, Тахмид Х .; Аллен, Габриэль Д.; Кравченко, Иван; Рикман, Джадсон Д. (2019-08-05). «Одномодовые волноводные интерферометры из пористого кремния с коэффициентом удержания единицы для сверхчувствительного измерения поверхностного адслоя» . Оптика Экспресс . 27 (16): 22485–22498. DOI : 10,1364 / OE.27.022485 . ISSN 1094-4087 . ОСТИ 1546510 . PMID 31510540 .   
  7. ^ М. Хохберг; Т. Бэр-Джонс; К. Уокер; Дж. Витценс; К. Ганн; А. Шерер (2005). «Сегментированные волноводы в тонком кремнии на изоляторе» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки B . 22 (7): 1493–1497. Bibcode : 2005JOSAB..22.1493H . DOI : 10.1364 / JOSAB.22.001493 .
  8. ^ SY Lin; Э. Чоу; С. Г. Джонсон; JD Joannopoulos (2000). «Демонстрация высокоэффективного волновода в пластине фотонного кристалла на длине волны 1,5 мкм» . Письма об оптике . 25 (17): 1297–1299. Bibcode : 2000OptL ... 25.1297L . DOI : 10.1364 / ol.25.001297 . PMID 18066198 . 
  9. ^ Минай, Thomas (2014). «Производство оптики: волноводы с прямой записью на фемтосекундном лазере создают квантовые схемы в стекле» . Laser Focus World . 50 (7).
  10. ^ Стрельцов, AM; Боррелли, Н. Ф. (1 января 2001 г.). «Изготовление и анализ направленного ответвителя, записанного в стекле с помощью наноджоулевых фемтосекундных лазерных импульсов». Письма об оптике . 26 (1): 42–3. Bibcode : 2001OptL ... 26 ... 42S . DOI : 10.1364 / OL.26.000042 . PMID 18033501 . 
  11. ^ Храпко, Ростислав; Лай, Чанъи; Кейси, Джули; Wood, William A .; Боррелли, Николас Ф. (15 декабря 2014 г.). «Накопленная самофокусировка ультрафиолета в кварцевом стекле» . Письма по прикладной физике . 105 (24): 244110. Bibcode : 2014ApPhL.105x4110K . DOI : 10.1063 / 1.4904098 .
  12. ^ Лю, Сюань-Хао; Чанг, Хун-Чун (2013). "Плазмонные поляритонные моды с утечкой поверхности на границе раздела между металлом и одноосно анизотропными материалами" . Журнал IEEE Photonics . 5 (6): 4800806. Bibcode : 2013IPhoJ ... 500806L . DOI : 10,1109 / JPHOT.2013.2288298 .

Внешние ссылки [ править ]

  • AdvR - Волноводы, легированные рубидием в титанилфосфате калия (KTP)