Волновод (оптика)

Оптический волновод — это физическая структура, которая направляет электромагнитные волны оптического спектра . К распространенным типам оптических волноводов относятся оптоволоконные волноводы, прозрачные диэлектрические волноводы из пластика и стекла, жидкостные световоды и жидкостные волноводы.

Оптические волноводы используются в качестве компонентов интегральных оптических схем или в качестве среды передачи в системах местной и дальней оптической связи . Их также можно использовать в оптических наголовных дисплеях дополненной реальности . ^[1]

Оптические волноводы можно классифицировать по их геометрии (плоские, ленточные или волоконные волноводы), модовой структуре ( одномодовые , многомодовые ), распределению показателя преломления (ступенчатый или градиентный показатель) и материалу ( стекло , полимер , полупроводник ). .

Полное внутреннее отражение

Основные принципы оптических волноводов можно описать с помощью концепций геометрической или лучевой оптики , как показано на схеме.

Свет, попадая в среду с более высоким показателем преломления, в процессе преломления отклоняется к нормали (рис. а. ). Возьмем, к примеру, свет, переходящий из воздуха в стекло. Точно так же свет, идущий в противоположном направлении (из стекла в воздух), проходит тот же путь, отклоняясь от нормального. Это следствие симметрии обращения времени . Каждый луч в воздухе (черный) можно сопоставить с лучом в стекле (синий), как показано на рисунке б . Идет переписка один на один. Но из-за преломления некоторые лучи в стекле остаются снаружи (красные). Остальные лучи задерживаются в стекле в результате процесса, называемого полным внутренним отражением . Они падают на границу раздела стекло-воздух под углом, превышающим критический угол . Эти дополнительные лучи соответствуют более высокой плотности состояний в более продвинутых формулировках, основанных на функции Грина .

Используя полное внутреннее отражение, мы можем улавливать и направлять свет в диэлектрический волновод (рис. в ). Красные лучи отражаются как от верхней, так и от нижней поверхности среды с высоким индексом. Они направляются, даже если плита изгибается или изгибается, при условии, что она изгибается медленно. Это основной принцип оптоволокна , в котором свет направляется вдоль стеклянной сердцевины с более низким коэффициентом преломления с высоким коэффициентом преломления в стеклянной оболочке (рис. d ).

Лучевая оптика дает лишь приблизительное представление о том, как работают волноводы. Уравнения Максвелла могут быть решены аналитическими или численными методами для полнополевого описания диэлектрического волновода.

Диэлектрический пластинчатый волновод

Возможно, самым простым оптическим волноводом является волновод в форме диэлектрической пластины . ^[2] также называется плоским волноводом . ^[3] Благодаря своей простоте пластинчатые волноводы часто используются в качестве игрушечных моделей, но также находят применение во внутрикристальных устройствах, таких как волноводные решетки , акустооптические фильтры и модуляторы .

Пластинчатый волновод состоит из трех слоев материалов с разными диэлектрическими проницаемостями, бесконечно простирающихся в направлениях, параллельных их границам раздела. Свет удерживается в среднем слое за счет полного внутреннего отражения , если показатель преломления среднего слоя больше, чем у окружающих слоев.

Пластинчатый волновод по существу представляет собой одномерный волновод. Он улавливает свет только перпендикулярно диэлектрическим границам раздела. Для направленных мод поле в области II на диаграмме является распространяющимся и его можно рассматривать как плоскую волну . Поле в доменах I и III мимолетно затухает по мере удаления от пластины. Плоская волна в области II отскакивает между верхней и нижней границами раздела под некоторым углом, обычно определяемым ${\vec {\beta }}$ , волновой вектор в плоскости пластины. Управляемые режимы конструктивно вмешиваются в один полный обход плиты. На каждой частоте можно найти одну или несколько мод, дающих набор собственных значений. $(\omega ,{\vec {\beta }})$ который можно использовать для построения зонной диаграммы или дисперсионного соотношения .

Поскольку управляемые моды задерживаются в пластине, они не могут возбуждаться светом, падающим на верхнюю или нижнюю границу раздела. Свет может быть направлен с торца или с торца, путем подачи его с помощью линзы в плоскость плиты. В качестве альтернативы для подачи света в волновод можно использовать соединительный элемент, такой как решеточный или призменный соединитель.

Существует 2 технологии: дифракционные волноводы и отражательные волноводы.

Двумерный волновод

Ленточный волновод

Ленточный волновод представляет собой, по сути, полоску слоя, заключенную между слоями оболочки. Простейшим случаем является прямоугольный волновод , который образуется, 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 . Резонаторы лазерных диодов часто выполняют в виде прямоугольных оптических волноводов. Оптические волноводы прямоугольной геометрии производятся различными способами, обычно планарным способом . ^{[ нужна ссылка ]}

Распределение поля в прямоугольном волноводе невозможно решить аналитически, однако методы приближенного решения, такие как метод Маркатили , ^[4] Расширенный метод Маркатили ^[5] и метод Кумара , ^[6] известны.

Ребристый волновод

Ребристый волновод — волновод, в котором направляющий слой состоит в основном из пластины с наложенной на нее полосой (или несколькими полосами). Ребристые волноводы также обеспечивают ограничение волны в двух измерениях, а ограничение, близкое к единице, возможно в многослойных ребристых структурах. ^[7]

Сегментированный волновод и фотонно-кристаллический волновод

Оптические волноводы обычно поддерживают постоянное поперечное сечение вдоль направления распространения. Так обстоит дело, например, с ленточными и ребристыми волноводами. Однако волноводы также могут иметь периодические изменения своего поперечного сечения, при этом обеспечивая передачу света без потерь через так называемые моды Блоха. Такие волноводы называются сегментированными волноводами (с одномерным рисунком вдоль направления распространения). ^[8]) или как фотонно-кристаллические волноводы (с 2D или 3D-структурой). ^[9]).

Волновод с лазерной надписью

Оптические волноводы находят свое важнейшее применение 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 входными и выходными точками 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. Чтобы максимизировать увеличение показателя преломления, используются очень короткие (обычно фемтосекундные) лазерные импульсы, фокусируемые с помощью объектива микроскопа с высокой числовой апертурой. Перемещая фокальное пятно через объемный прозрачный материал, можно напрямую записать волноводы. ^[10] В варианте этого метода используется объектив микроскопа с низкой числовой апертурой и перемещается фокальное пятно вдоль оси луча. Это улучшает перекрытие между сфокусированным лазерным лучом и фоторефрактивным материалом, тем самым снижая мощность, необходимую для лазера. ^[11] Когда прозрачный материал подвергается воздействию несфокусированного лазерного луча достаточной яркости, чтобы вызвать фоторефрактивный эффект, волноводы могут начать формироваться самостоятельно в результате накопленной самофокусировки . ^[12] Образование таких волноводов приводит к разрушению лазерного луча. Продолжительное воздействие 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).

Световая труба

Световоды — это трубки или цилиндры из твердого материала, используемые для направления света на небольшое расстояние. В электронике пластиковые световоды используются для направления света от светодиодов на плате к поверхности пользовательского интерфейса. В зданиях световоды используются для передачи освещения снаружи здания туда, где оно необходимо внутри. ^{[ нужна ссылка ]}

Оптоволоконный волновод

Распространение света по многомодовому оптическому волокну.

круглого сечения, Оптическое волокно обычно представляет собой диэлектрический волновод состоящий из диэлектрического материала, окруженного другим диэлектрическим материалом с более низким показателем преломления . Оптические волокна чаще всего изготавливаются из кварцевого стекла , однако и другие стеклянные для определенных применений используются материалы, а пластиковое оптическое волокно можно использовать для передачи на короткие расстояния. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Сюн, Цзянхао; Сян, Энь-Линь; Он, Цзыцянь; Чжан, Тао; Ву, Шин-Цон (25 октября 2021 г.). «Дополненная реальность и дисплеи виртуальной реальности: новые технологии и перспективы» . Свет: наука и приложения . 10 (1). дои : 10.1038/s41377-021-00658-8 . ISSN 2047-7538 . ПМЦ 8546092 . ПМИД 34697292 .
^ Рамо, Саймон, Джон Р. Уиннери и Теодор ван Дузер, Поля и волны в коммуникационной электронике , 2-е изд., John Wiley and Sons, Нью-Йорк, 1984.
^ «Кремниевая фотоника», Грэм Т. Рид, Эндрю П. Найтс
^ Маркатили, EAJ (1969). «Диэлектрический прямоугольный волновод и направленный ответвитель для интегральной оптики». Белл Сист. Тех. Дж . 48 (7): 2071–2102. дои : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01166.x .
^ Вестервельд, В.Дж., Лейндерс, С.М., ван Донген, КВА, Урбах, Х.П. и Юсефи, М. (2012). «Расширение аналитического подхода Маркатили для прямоугольных кремниевых оптических волноводов». Журнал световых технологий . 30 (14): 2388–2401. arXiv : 1504.02963 . Бибкод : 2012JLwT...30.2388W . дои : 10.1109/JLT.2012.2199464 . S2CID 23182579 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Кумар А., К. Тьягараджан и А.К. Гатак. (1983). «Анализ диэлектрических волноводов с прямоугольным сердечником - точный подход к возмущениям». Опция Летт . 8 (1): 63–65. Бибкод : 1983OptL....8...63K . дои : 10.1364/ол.8.000063 . ПМИД 19714136 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Талукдар, Тахмид Х.; Аллен, Габриэль Д.; Кравченко Иван; Рикман, Джадсон Д. (05 августа 2019 г.). «Одномодовые волноводные интерферометры из пористого кремния с единичным коэффициентом ограничения для сверхчувствительного измерения поверхностного адслоя» . Оптика Экспресс . 27 (16): 22485–22498. Бибкод : 2019OExpr..2722485T . дои : 10.1364/OE.27.022485 . ISSN 1094-4087 . ОСТИ 1546510 . ПМИД 31510540 .
^ 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 Б. 22 (7): 1493–1497. Бибкод : 2005JOSAB..22.1493H . дои : 10.1364/JOSAB.22.001493 .
^ С.Ю. Лин; Э. Чоу; С.Г. Джонсон; Джей Ди Джоаннопулос (2000). «Демонстрация высокоэффективного волноводства в фотонно-кристаллической пластине на длине волны 1,5 мкм» . Оптические письма . 25 (17): 1297–1299. Бибкод : 2000OptL...25.1297L . дои : 10.1364/ол.25.001297 . ПМИД 18066198 .
^ Мини, Томас (2014). «Оптическое производство: фемтосекундные лазерные волноводы с прямой записью создают квантовые схемы в стекле» . Мир лазерного фокуса . 50 (7).
^ Стрельцов А.М.; Боррелли, Н.Ф. (1 января 2001 г.). «Изготовление и анализ направленного ответвителя, записанного в стекле наноджоульными фемтосекундными лазерными импульсами». Оптические письма . 26 (1): 42–3. Бибкод : 2001OptL...26...42S . дои : 10.1364/OL.26.000042 . ПМИД 18033501 .
^ Храпко Ростислав; Лай, Чанги; Кейси, Джули; Вуд, Уильям А.; Боррелли, Николас Ф. (15 декабря 2014 г.). «Накопленная самофокусировка ультрафиолетового света в кварцевом стекле» . Письма по прикладной физике . 105 (24): 244110. Бибкод : 2014АпФЛ.105х4110К . дои : 10.1063/1.4904098 .
^ Лю, Сюань-Хао; Чанг, Хун-Чун (2013). «Вытекающие поверхностные плазмон-поляритонные моды на границе раздела металла и одноосно-анизотропных материалов» . Журнал IEEE Photonics . 5 (6): 4800806. Бибкод : 2013IPhoJ...500806L . дои : 10.1109/JPHOT.2013.2288298 .

13. Яо Чжоу, Цзюфан Чжан, Фэнчжоу Фан. Конструкция двухфокального геометрического волноводного прозрачного окологлазного дисплея. Оптика и лазерные технологии, 2022, том 156, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108546 .

14. Яо Чжоу, Цзюфан Чжан, Фэнчжоу Фан. Проектирование двумерного геометрического волновода с большим полем зрения. Результаты по оптике, Том 5, 2021, 100147, https://doi.org/10.1016/j.rio.2021.100147 .

Внешние ссылки

Нелинейные волноводы AdvR на титанилфосфате калия, легированном рубидием ( КТП )

[d190-1] Сюн, Цзянхао; Сян, Энь-Линь; Он, Цзыцянь; Чжан, Тао; Ву, Шин-Цон (25 октября 2021 г.). «Дополненная реальность и дисплеи виртуальной реальности: новые технологии и перспективы» . Свет: наука и приложения . 10 (1). дои : 10.1038/s41377-021-00658-8 . ISSN 2047-7538 . ПМЦ 8546092 . ПМИД 34697292 .

[2] Рамо, Саймон, Джон Р. Уиннери и Теодор ван Дузер, Поля и волны в коммуникационной электронике , 2-е изд., John Wiley and Sons, Нью-Йорк, 1984.

[3] «Кремниевая фотоника», Грэм Т. Рид, Эндрю П. Найтс

[4] Маркатили, EAJ (1969). «Диэлектрический прямоугольный волновод и направленный ответвитель для интегральной оптики». Белл Сист. Тех. Дж . 48 (7): 2071–2102. дои : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01166.x .

[5] Вестервельд, В.Дж., Лейндерс, С.М., ван Донген, КВА, Урбах, Х.П. и Юсефи, М. (2012). «Расширение аналитического подхода Маркатили для прямоугольных кремниевых оптических волноводов». Журнал световых технологий . 30 (14): 2388–2401. arXiv : 1504.02963 . Бибкод : 2012JLwT...30.2388W . дои : 10.1109/JLT.2012.2199464 . S2CID 23182579 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[6] Кумар А., К. Тьягараджан и А.К. Гатак. (1983). «Анализ диэлектрических волноводов с прямоугольным сердечником - точный подход к возмущениям». Опция Летт . 8 (1): 63–65. Бибкод : 1983OptL....8...63K . дои : 10.1364/ол.8.000063 . ПМИД 19714136 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[7] Талукдар, Тахмид Х.; Аллен, Габриэль Д.; Кравченко Иван; Рикман, Джадсон Д. (05 августа 2019 г.). «Одномодовые волноводные интерферометры из пористого кремния с единичным коэффициентом ограничения для сверхчувствительного измерения поверхностного адслоя» . Оптика Экспресс . 27 (16): 22485–22498. Бибкод : 2019OExpr..2722485T . дои : 10.1364/OE.27.022485 . ISSN 1094-4087 . ОСТИ 1546510 . ПМИД 31510540 .

[8] 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 Б. 22 (7): 1493–1497. Бибкод : 2005JOSAB..22.1493H . дои : 10.1364/JOSAB.22.001493 .

[9] С.Ю. Лин; Э. Чоу; С.Г. Джонсон; Джей Ди Джоаннопулос (2000). «Демонстрация высокоэффективного волноводства в фотонно-кристаллической пластине на длине волны 1,5 мкм» . Оптические письма . 25 (17): 1297–1299. Бибкод : 2000OptL...25.1297L . дои : 10.1364/ол.25.001297 . ПМИД 18066198 .

[10] Мини, Томас (2014). «Оптическое производство: фемтосекундные лазерные волноводы с прямой записью создают квантовые схемы в стекле» . Мир лазерного фокуса . 50 (7).

[11] Стрельцов А.М.; Боррелли, Н.Ф. (1 января 2001 г.). «Изготовление и анализ направленного ответвителя, записанного в стекле наноджоульными фемтосекундными лазерными импульсами». Оптические письма . 26 (1): 42–3. Бибкод : 2001OptL...26...42S . дои : 10.1364/OL.26.000042 . ПМИД 18033501 .

[12] Храпко Ростислав; Лай, Чанги; Кейси, Джули; Вуд, Уильям А.; Боррелли, Николас Ф. (15 декабря 2014 г.). «Накопленная самофокусировка ультрафиолетового света в кварцевом стекле» . Письма по прикладной физике . 105 (24): 244110. Бибкод : 2014АпФЛ.105х4110К . дои : 10.1063/1.4904098 .

[13] Лю, Сюань-Хао; Чанг, Хун-Чун (2013). «Вытекающие поверхностные плазмон-поляритонные моды на границе раздела металла и одноосно-анизотропных материалов» . Журнал IEEE Photonics . 5 (6): 4800806. Бибкод : 2013IPhoJ...500806L . дои : 10.1109/JPHOT.2013.2288298 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]