Волновода (оптика)

Оптический волновод - это физическая структура, которая направляет электромагнитные волны в оптическом спектре . Общие типы оптических волноводов включают оптические волноводы, прозрачные диэлектрические волноводы, изготовленные из пластика и стекла, руководства с жидким светом и жидких волноводов.

Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегрированных оптических цепях или в качестве среды передачи в локальных и длинных оптических системах. Они также могут быть использованы в оптических дисплеях в дополненной реальности . ^{[ 1 ]}

Оптические волноводы могут быть классифицированы в соответствии с их геометрией (плоские, полосы или волоконно-волноводные), структуру режима ( одномодовая , многомодовая ), распределение показателя преломления (индекс шага или градиента) и материал ( стекло , полимер , полупроводник ) Полем

Общее внутреннее отражение

Основные принципы оптических волноводов могут быть описаны с использованием концепций геометрической или лучей оптики , как показано на диаграмме.

Свет, проходящий в среду с более высоким показателем преломления, изгибается к нормальному процессу рефракции (рисунок а. ). Возьмите, к примеру, свет, проходящий от воздуха в стекло. Точно так же свет, движущийся в противоположном направлении (от стекла в воздух), идет по тому же пути, наклоняясь от нормального. Это следствие симметрии с обращением времени . Каждый луч в воздухе (черный) может быть сопоставлен с лучей в стекле (синий), как показано на рисунке b . Там есть переписка один к одному. Но из -за преломления некоторые из лучей в стекле остаются в стороне (красный). Оставшиеся лучи попадают в стекло процессом, называемым полным внутренним отражением . Они инцидент на границе раздела стекло-воздух под углом над критическим углом . Эти дополнительные лучи соответствуют более высокой плотности состояний в более продвинутых составах, основанных на функции зеленого .

Используя полное внутреннее отражение, мы можем улавливать и направлять свет в диэлектрическом волноводе (рис. C ). Красные лучи отскакивают как верхнюю, так и нижнюю поверхность среды высокого индекса. Они руководствуются даже если плита кривые или изгибы, если она медленно изгибается. Это основной принцип, лежащий в основе волоконной оптики , в которой свет проводится вдоль высокого индексного стеклянного ядра в более низкой стеклянной облицовке (рис. D ).

Ray Optics только дает грубую картину того, как работают волноводы. Уравнения Максвелла могут быть решены аналитическими или численными методами для описания полного поля диэлектрического волновода.

Диэлектрическая плита волновода

Возможно, самым простым оптическим волноводом является диэлектрический волновод плиты , ^{[ 2 ]} также называется плоским волноводом . ^{[ 3 ]} Благодаря своей простоте, волноводы плиты часто используются в качестве игрушечных моделей, но также находят применение в устройствах на типах, таких как массивные волноводные ребята , акусто-оптические фильтры и модуляторы .

Волновочный водоросль плиты состоит из трех слоев материалов с различными диэлектрическими постоянными, которые бесконечно простираются в направлениях, параллельных их интерфейсам. Свет ограничен средним слоем полным внутренним отражением , если показатель преломления среднего слоя больше, чем у окружающих слоев.

Волновочный водоросль плиты по сути является одномерным волноводом. Он ловит свет лишь нормально для диэлектрических интерфейсов. Для управляемых режимов поле в домене II на диаграмме распространяется и может рассматриваться как плоская волна . Поле в доменах I и III вывещали от плиты. Плоская волна в домене II отскакивает между верхним и нижним интерфейсами под некоторым углом, обычно указанным ${\vec {\beta }}$ , волновой вектор в плоскости плиты. Управляемые моды конструктивно мешают одной полной обработке в плите. На каждой частоте можно найти один или несколько режимов, давая набор собственных значений $(\omega ,{\vec {\beta }})$ который может быть использован для построения диаграммы полосы или дисперсионного отношения .

Поскольку управляемые режимы попадают в плиту, они не могут быть возбуждены световым инцидентом на верхних или нижних интерфейсах. Свет может быть конечным огнем или бьютт в сочетании с инъекцией его с линзой в плоскости плиты. В качестве альтернативы элемент связи может использоваться для соединения света в волновода, например, сцепляющий муфт или призму.

Есть 2 технологии: дифракционные волноводы и отражающие волноводы.

Двумерный волновод

Стрип -волновой

Стрип -волновод - это в основном полоса слоя, ограниченного слоями облицовки. Самый простой случай - прямоугольный волновод , который образуется, когда руководящий слой волновода плиты ограничен как в поперечных направлениях, а не только в одном. Прямоугольные волноводы используются в интегрированных оптических цепях и в лазерных диодах . Они обычно используются в качестве основы таких оптических компонентов, как интерферометры Mach -Zehnder и мультиплекторы длины волны . Полости . часто лазерных диодов строят в виде прямоугольных оптических волноводов Оптические волноводы с прямоугольной геометрией производятся различными средствами, обычно плоским процессом . ^{[ Цитация необходима ]}

Полевое распределение в прямоугольном волноводе не может быть решено аналитически, однако приблизительные методы решения, такие как метод Маркатили , ^{[ 4 ]} Расширенный метод Маркатили ^{[ 5 ]} и метод Кумара , ^{[ 6 ]} известны.

Волновочный грунт

Ребро волновода - это волновод, в котором руководящий слой в основном состоит из плиты с полосой (или несколькими полосками), наложенным на него. Грубные волноводы также обеспечивают ограничение волны в двух измерениях, а в структурах ребра, связанного сближением почти единицы. ^{[ 7 ]}

Сегментированный волновой и фотонный кристаллический волновод

Оптические волноводы обычно поддерживают постоянный поперечный сечение вдоль их направления распространения. Это, например, случай для полосовых и ребравгадов. Тем не менее, волноводы также могут иметь периодические изменения в своем поперечном сечении, в то же время позволяя пропусканию света без потерь с помощью так называемых мод Bloch. Такие волноводы называются сегментированными волноводами (с 1D -паттерном вдоль направления распространения ^{[ 8 ]}) или в качестве фотонных кристаллических волноводов (с 2D или 3D -паттерном ^{[ 9 ]}).

Лазерный волновод

Оптические волноводы находят свое наиболее важное применение в фотонике . Настройка волноводов в трехмерном пространстве обеспечивает интеграцию между электронными компонентами на чипе и оптических волокон. Такие волноводы могут быть разработаны для размножения инфракрасного света в одном режиме на длинах волн телекоммуникации и настроены для обеспечения оптического сигнала между входными и выходными местоположениями с очень низким потерей.

Один из методов построения 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 и сфокусированы с высокой целью микроскопа. Перевод фокального пятно через объемный прозрачный материал может быть непосредственно написан. ^{[ 10 ]} Изменение этого метода использует целевую цель микроскопа с низким Na и переводит фокусное пятно вдоль оси луча. Это улучшает перекрытие между сфокусированным лазерным пучком и фоторефрактивным материалом, тем самым снижая мощность, необходимую от лазера. ^{[ 11 ]} Когда прозрачный материал подвергается воздействию сфокусированного лазерного луча достаточной яркости, чтобы инициировать фоторефрактивный эффект, волноводы могут начать формироваться самостоятельно в результате накопленного самоофокусировки . ^{[ 12 ]} Образование таких волноводов приводит к разрыву лазерного луча. Продолжение воздействия приводит к накоплению показателя преломления по отношению к центральной линии каждого волновода и коллапсу диаметра поля режима пропагандирующего света. Такие волноводы остаются навсегда в стекле и могут быть сфотографированы в автономном режиме (см. Рисунок справа).

Легкая труба

Световые трубы представляют собой трубки или цилиндры твердого материала, используемые для направления света короткого расстояния. В электронике пластиковые световые трубы используются для направления света от светодиодов на плате с помощью поверхности пользовательского интерфейса. В зданиях световые трубы используются для передачи освещения снаружи здания в то место, где оно необходимо внутри. ^{[ Цитация необходима ]}

Оптическое волоконно -волновое

Распространение света через многомодовое оптическое волокно.

круглого сечения, Оптическое волокно, как правило, является диэлектрическим волноводом состоящий из диэлектрического материала, окруженного другим диэлектрическим материалом с более низким показателем преломления . Оптические волокна чаще всего изготавливаются из кремнетического стекла , однако другие стеклянные материалы используются для определенных применений, а пластиковое оптическое волокно может использоваться для применения в коротких дистанциях. ^{[ Цитация необходима ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Xiong, Jianghao; Сян, in-lin; Он, Зицян; Чжан, Тао; Ву, Шин-Цон (2021-10-25). «Дополненная реальность и виртуальная реальность показывает: новые технологии и перспективы будущих» . Свет: Наука и приложения . 10 (1). doi : 10.1038/s41377-021-00658-8 . ISSN 2047-7538 . PMC 8546092 . PMID 34697292 .
^ Рамо, Саймон, Джон Р. Уиннери и Теодор Ван Дюзер, Филдс и Волны в коммуникационной электронике , 2 изд., Джон Вили и сыновья, Нью -Йорк, 1984.
^ «Силиконовая фотоника», Грэм Т. Рид, Эндрю П. Найтс
^ Маркатили, EAJ (1969). «Диэлектрический прямоугольный волновод и направленное соединитель для интегрированной оптики». Bell Syst. Технический Дж . 48 (7): 2071–2102. doi : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01166.x .
^ Westerveld, WJ, Leinders, SM, Van Dongen, KWA, Urbach, HP и Yousefi, 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 . S2CID 23182579 . {{cite journal}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Кумар, А., К. Тьягараджан и Ак Гатак. (1983). «Анализ прямоугольных диэлектрических волноводов-точный подход к возмущению». Опт. Летал 8 (1): 63–65. Bibcode : 1983optl .... 8 ... 63K . doi : 10.1364/ol.8.000063 . PMID 19714136 . {{cite journal}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Talukdar, Tahmid H.; Аллен, Габриэль Д.; Кравченко, Иван; Ryckman, Judson D. (2019-08-05). «Одномодный пористый кремниевый волновол интерферометры с факторами удержания единицы для сверхчувствительного поверхностного зондирования» . Optics Express . 27 (16): 22485–22498. BIBCODE : 2019OEXPR..2722485T . doi : 10.1364/OE.27.022485 . ISSN 1094-4087 . Ости 1546510 . PMID 31510540 .
^ М. Хохберг; Т. Бар-Джонс; C. Уокер; J. Witzens; К. Ганн; А. Шерер (2005). «Сегментированные волноводы в тонком кремнеоном наизоляторе» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки б . 22 (7): 1493–1497. Bibcode : 2005josab..22.1493h . doi : 10.1364/josab.22.001493 .
^ Sy Lin; Э. Чоу; С.Г. Джонсон; JD Joannopoulos (2000). «Демонстрация высокоэффективного волновода в фотонной кристаллической плите на длине волны 1,5 мкм» . Оптические письма . 25 (17): 1297–1299. Bibcode : 2000optl ... 25.1297L . doi : 10.1364/ol.25.001297 . PMID 18066198 .
^ Meany, Thomas (2014). «Оптическое производство: фемтосекундные лазерные волноводы производят квантовые схемы в стекле» . Laser Focus World . 50 (7).
^ Стрельтсов, Ам; Боррелли, NF (1 января 2001 г.). «Изготовление и анализ направленного соединителя, написанного в стекле Nanojoule Femtosecond Laser -импульсы». Оптические письма . 26 (1): 42–3. Bibcode : 2001optl ... 26 ... 42 с . doi : 10.1364/ol.26.000042 . PMID 18033501 .
^ Храпко, Ростислав; Лай, Чанди; Кейси, Джули; Вуд, Уильям А.; Боррелли, Николас Ф. (15 декабря 2014 г.). «Накопленная самоофокусировка ультрафиолетового света в кремнезском стекле» . Прикладные физические буквы . 105 (24): 244110. BIBCODE : 2014APPHL.105X4110K . doi : 10.1063/1.4904098 .
^ Лю, Хсуан-Хао; Чанг, Хун-Чун (2013). «Протекающие поверхностные плазмонные поляритонные моды на границе между металлами и одноосиально анизотропными материалами» . IEEE Photonics Journal . 5 (6): 4800806. Bibcode : 2013iphoj ... 500806L . doi : 10.1109/jphot.2013.2288298 .

13. Яо Чжоу, Джуфан Чжан, Фенчжоу Фанг. Дизайн двухфокального геометрического волновода вблизи глаза прозрачного дисплея. Оптика и лазерная технология, 2022, том 156, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108546 .

14. Яо Чжоу, Джуфан Чжан, Фенчжоу Фанг. Проектирование большого поля двумерного геометрического волновода. Результаты оптики, том 5, 2021, 100147, https://doi.org/10.1016/j.rio.2021.100147 .

Внешние ссылки

ADVR нелинейные волноводы у легированного рубидием титанилфосфат калия ( KTP )

[d190-1] Xiong, Jianghao; Сян, in-lin; Он, Зицян; Чжан, Тао; Ву, Шин-Цон (2021-10-25). «Дополненная реальность и виртуальная реальность показывает: новые технологии и перспективы будущих» . Свет: Наука и приложения . 10 (1). doi : 10.1038/s41377-021-00658-8 . ISSN 2047-7538 . PMC 8546092 . PMID 34697292 .

[2] Рамо, Саймон, Джон Р. Уиннери и Теодор Ван Дюзер, Филдс и Волны в коммуникационной электронике , 2 изд., Джон Вили и сыновья, Нью -Йорк, 1984.

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

[4] Маркатили, EAJ (1969). «Диэлектрический прямоугольный волновод и направленное соединитель для интегрированной оптики». Bell Syst. Технический Дж . 48 (7): 2071–2102. doi : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01166.x .

[5] Westerveld, WJ, Leinders, SM, Van Dongen, KWA, Urbach, HP и Yousefi, 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 . S2CID 23182579 . {{cite journal}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[6] Кумар, А., К. Тьягараджан и Ак Гатак. (1983). «Анализ прямоугольных диэлектрических волноводов-точный подход к возмущению». Опт. Летал 8 (1): 63–65. Bibcode : 1983optl .... 8 ... 63K . doi : 10.1364/ol.8.000063 . PMID 19714136 . {{cite journal}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[7] Talukdar, Tahmid H.; Аллен, Габриэль Д.; Кравченко, Иван; Ryckman, Judson D. (2019-08-05). «Одномодный пористый кремниевый волновол интерферометры с факторами удержания единицы для сверхчувствительного поверхностного зондирования» . Optics Express . 27 (16): 22485–22498. BIBCODE : 2019OEXPR..2722485T . doi : 10.1364/OE.27.022485 . ISSN 1094-4087 . Ости 1546510 . PMID 31510540 .

[8] М. Хохберг; Т. Бар-Джонс; C. Уокер; J. Witzens; К. Ганн; А. Шерер (2005). «Сегментированные волноводы в тонком кремнеоном наизоляторе» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки б . 22 (7): 1493–1497. Bibcode : 2005josab..22.1493h . doi : 10.1364/josab.22.001493 .

[9] Sy Lin; Э. Чоу; С.Г. Джонсон; JD Joannopoulos (2000). «Демонстрация высокоэффективного волновода в фотонной кристаллической плите на длине волны 1,5 мкм» . Оптические письма . 25 (17): 1297–1299. Bibcode : 2000optl ... 25.1297L . doi : 10.1364/ol.25.001297 . PMID 18066198 .

[10] Meany, Thomas (2014). «Оптическое производство: фемтосекундные лазерные волноводы производят квантовые схемы в стекле» . Laser Focus World . 50 (7).

[11] Стрельтсов, Ам; Боррелли, NF (1 января 2001 г.). «Изготовление и анализ направленного соединителя, написанного в стекле Nanojoule Femtosecond Laser -импульсы». Оптические письма . 26 (1): 42–3. Bibcode : 2001optl ... 26 ... 42 с . doi : 10.1364/ol.26.000042 . PMID 18033501 .

[12] Храпко, Ростислав; Лай, Чанди; Кейси, Джули; Вуд, Уильям А.; Боррелли, Николас Ф. (15 декабря 2014 г.). «Накопленная самоофокусировка ультрафиолетового света в кремнезском стекле» . Прикладные физические буквы . 105 (24): 244110. BIBCODE : 2014APPHL.105X4110K . doi : 10.1063/1.4904098 .

[13] Лю, Хсуан-Хао; Чанг, Хун-Чун (2013). «Протекающие поверхностные плазмонные поляритонные моды на границе между металлами и одноосиально анизотропными материалами» . IEEE Photonics Journal . 5 (6): 4800806. Bibcode : 2013iphoj ... 500806L . doi : 10.1109/jphot.2013.2288298 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]