Волновод (оптика) - Waveguide (optics)

An оптический волновод это физическая структура, которая направляет электромагнитные волны в оптический спектр. Общие типы оптический волноводы включают оптоволокно и прозрачный диэлектрические волноводы из пластика и стекла.

Оптические волноводы используются как компоненты в интегральные оптические схемы или в качестве среды передачи в местных и дальних оптическая связь системы.

Оптические волноводы можно классифицировать по геометрии (планарные, полосковые или волоконно-оптические волноводы), модовой структуре (одиночный режим, многомодовый ), показатель преломления распределение (ступенчатый или градиентный индекс) и материал (стекло, полимер, полупроводник ).

Диэлектрический пластинчатый волновод

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

Практические оптические волноводы с прямоугольной геометрией легче всего понять как варианты теоретического диэлектрического пластинчатый волновод,[1] также называется планарный волновод.[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 полное внутреннее отражение. Это происходит, только если диэлектрик индекс 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 может использоваться элемент связи для ввода света в волновод, например решетчатый элемент связи или призменный элемент связи.

Одной из моделей управляемых режимов является модель плоская волна отражается назад и вперед между двумя интерфейсами среднего слоя на угол падения между направлением распространения света и нормальный, или перпендикулярное направление 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 себе разрушительно.

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.

Волновод используется в Дополненная реальность очки, существует 2 технологии: дифракционные волноводы и отражательные волноводы.

Двумерные волноводы

Смотрите также: Планарная линия передачи § Imageline

Ленточные волноводы

А полосовой волновод в основном представляет собой полосу слоя, заключенную между слоями облицовки. Самый простой случай - это прямоугольный волновод, который образуется, когда направляющий слой пластинчатого волновода ограничен в обоих поперечных направлениях, а не только в одном. Прямоугольные волноводы используются в интегральные оптические схемы И в лазерные диоды. Они обычно используются в качестве основы таких оптических компонентов, как Интерферометры Маха – Цендера и мультиплексоры с разделением по длине волны. В полости из лазерные диоды часто строятся как прямоугольные оптические волноводы. Оптические волноводы с прямоугольной геометрией изготавливаются различными способами, обычно с помощью планарный процесс.

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

Ребристые волноводы

А ребристый волновод представляет собой волновод, в котором направляющий слой в основном состоит из пластины с наложенной на нее полосой (или несколькими полосами). Ребристые волноводы также обеспечивают ограничение волны в двух измерениях, и в многослойных ребристых структурах возможно ограничение, близкое к единице. [6]

Сегментированные волноводы и волноводы на фотонных кристаллах

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 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[7]) или в виде фотонно-кристаллических волноводов (с двумерным или трехмерным рисунком.[8]).

Волноводы с лазерной гравировкой

Наиболее важное применение оптические волноводы находят в фотоника. 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 из чистого кварцевого стекла 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. Чтобы максимально увеличить показатель 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 уменьшая 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 накопления самофокусировка.[11] Формирование таких волноводов приводит к разрыву лазерного луча. Продолжение экспонирования 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

Основная статья: световая трубка

Световые трубки - это трубки или цилиндры из твердого материала, используемые для направления света на небольшое расстояние. В электронике пластиковые световые трубки используются для направления света от Светодиоды на печатной плате к поверхности пользовательского интерфейса. В зданиях световые трубы используются для передачи освещения снаружи здания туда, где оно необходимо внутри.

Оптоволокно

Распространение света через многомодовое оптоволокно.
Основная статья: Оптоволокно

Оптическое волокно обычно имеет круглое поперечное сечение. диэлектрический волновод состоящий из диэлектрик материал, окруженный другим диэлектрическим материалом с более низким показатель преломления. Оптические волокна чаще всего изготавливаются из кварцевое стекло однако другие стекло материалы используются для определенных приложений и пластиковое оптическое волокно может использоваться для приложений на короткие расстояния.

Смотрите также

Рекомендации

  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" Грэма Т. Рида, Эндрю П. Найтса
  3. ^ Маркатили, Э. А. Дж. (1969). «Диэлектрический прямоугольный волновод и направленный ответвитель для интегральной оптики». Bell Syst. Tech. J. 48 (7): 2071–2102. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1969.tb01166.x.
  4. ^ Вестервельд, В. Дж., Лейндерс, С. М., ван Донген, К. В. А., Урбах, Х. П. и Юсефи, М. (2012). "Расширение аналитического подхода Маркатили для прямоугольных кремниевых оптических волноводов". Журнал технологии световых волн. 30 (14): 2388–2401. arXiv:1504.02963. Bibcode:2012JLwT ... 30,2388 Вт. Дои:10.1109 / JLT.2012.2199464.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Кумар, А., К. Тьягараджан и А. К. Гхатак. (1983). «Анализ диэлектрических волноводов с прямоугольной сердцевиной - точный подход к возмущениям». Опт. Латыш. 8 (1): 63–65. Bibcode:1983 ОптЛ .... 8 ... 63 тыс.. Дои:10.1364 / ol.8.000063. PMID  19714136.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  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. Дои:10.1364 / OE.27.022485. ISSN  1094-4087. OSTI  1546510. PMID  31510540.
  7. ^ М. Хохберг; Т. Бэр-Джонс; К. Уокер; J. Witzens; 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. Дои:10.1364 / JOSAB.22.001493.
  8. ^ С. Ю. Линь; Э. Чоу; С. Джонсон; Дж. Д. Хоаннопулос (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. Дои:10.1364 / ол.25.001297. PMID  18066198.
  9. ^ Мини, Томас (2014). «Производство оптики: волноводы с прямой записью на фемтосекундном лазере создают квантовые схемы в стекле». Laser Focus World. 50 (7).
  10. ^ Стрельцов А.М.; Боррелли, Н. Ф. (1 января 2001 г.). «Изготовление и анализ направленного ответвителя, записанного в стекле, наноджоуль фемтосекундными лазерными импульсами». Письма об оптике. 26 (1): 42–3. Bibcode:2001OptL ... 26 ... 42S. Дои: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:2014АпФЛ.105x4110K. Дои: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 Journal. 5 (6): 4800806. Bibcode:2013IPhoJ ... 500806L. Дои:10.1109 / JPHOT.2013.2288298.

внешняя ссылка