Из Википедии, бесплатной энциклопедии
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 по их геометрии (планарные, полосовые или волоконно-оптические волноводы), модовой структуре ( одномодовой , многомодовой ), распределению показателя преломления (ступенчатый или градиентный показатель) и материалу ( 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 в своем поперечном сечении, 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 разработаны 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)