Оптический волновод — это физическая структура, которая направляет электромагнитные волны в оптическом спектре . Распространенные типы оптических волноводов включают оптоволоконные волноводы, прозрачные диэлектрические волноводы из пластика и стекла, жидкие световоды и жидкостные волноводы.
Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегральных оптических схемах или в качестве среды передачи в локальных и дальних оптических системах связи . Они также могут использоваться в оптических дисплеях, монтируемых на голове, в дополненной реальности . [1]
Оптические волноводы можно классифицировать по их геометрии (плоские, полосковые или волоконные волноводы), структуре мод ( одномодовые , многомодовые ), распределению показателя преломления (ступенчатый или градиентный показатель) и материалу ( стекло , полимер , полупроводник ).
Основные принципы, лежащие в основе оптических волноводов, можно описать с помощью концепций геометрической или лучевой оптики , как показано на схеме.
Свет, проходящий в среду с более высоким показателем преломления , изгибается к нормали в процессе преломления (рисунок а ). Возьмем, к примеру, свет, проходящий из воздуха в стекло. Аналогично, свет, идущий в противоположном направлении (из стекла в воздух), проходит тот же путь, отклоняясь от нормали. Это следствие симметрии обращения времени . Каждый луч в воздухе (черный) можно сопоставить с лучом в стекле (синий), как показано на рисунке б . Существует соответствие один к одному. Но из-за преломления некоторые лучи в стекле остаются вне поля зрения (красные). Оставшиеся лучи захватываются стеклом в результате процесса, называемого полным внутренним отражением . Они падают на границу раздела стекло-воздух под углом выше критического угла . Эти дополнительные лучи соответствуют более высокой плотности состояний в более сложных формулировках, основанных на функции Грина .
Используя полное внутреннее отражение, мы можем улавливать и направлять свет в диэлектрическом волноводе (рисунок c ). Красные лучи отражаются как от верхней, так и от нижней поверхности среды с высоким индексом. Они направляются, даже если пластина изгибается или гнется, пока она изгибается медленно. Это основной принцип волоконной оптики , в которой свет направляется вдоль стеклянного сердечника с высоким индексом в стеклянной оболочке с низким индексом (рисунок d ).
Геометрическая оптика дает лишь грубую картину того, как работают волноводы. Уравнения Максвелла можно решить аналитическими или численными методами для описания полного поля диэлектрического волновода.
Возможно, самым простым оптическим волноводом является диэлектрический пластинчатый волновод [2] , также называемый планарным волноводом [3] . Благодаря своей простоте пластинчатые волноводы часто используются в качестве игрушечных моделей, но также находят применение в устройствах на кристалле, таких как массивные волноводные решетки и акустооптические фильтры и модуляторы .
Плоский волновод состоит из трех слоев материалов с различными диэлектрическими постоянными, простирающихся бесконечно в направлениях, параллельных их интерфейсам. Свет удерживается в среднем слое за счет полного внутреннего отражения , если показатель преломления среднего слоя больше, чем у окружающих слоев.
Плоский волновод по сути является одномерным волноводом. Он улавливает свет только перпендикулярно диэлектрическим интерфейсам. Для направленных мод поле в области II на схеме распространяется и может рассматриваться как плоская волна . Поле в областях I и III затухает вдали от пластины. Плоская волна в области II отражается между верхним и нижним интерфейсами под некоторым углом, обычно определяемым , волновым вектором в плоскости пластины. Направляемые моды конструктивно интерферируют за один полный обход в пластине. На каждой частоте можно найти одну или несколько мод, что дает набор собственных значений , которые можно использовать для построения зонной диаграммы или дисперсионного соотношения .
Поскольку управляемые моды заперты в пластине, они не могут быть возбуждены светом, падающим на верхние или нижние интерфейсы. Свет может быть связан торцевым или торцевым способом , вводя его с помощью линзы в плоскость пластины. В качестве альтернативы для связи света с волноводом может использоваться соединительный элемент, такой как решетчатый соединитель или призматический соединитель.
Существует 2 технологии: дифракционные волноводы и отражательные волноводы.
Полосовой волновод — это, по сути, полоса слоя, заключенная между слоями оболочки. Простейшим случаем является прямоугольный волновод , который образуется, когда направляющий слой волновода-пластины ограничен в обоих поперечных направлениях, а не только в одном. Прямоугольные волноводы используются в интегральных оптических схемах и лазерных диодах . Они обычно используются в качестве основы таких оптических компонентов, как интерферометры Маха-Цендера и мультиплексоры с разделением по длине волны . Полости лазерных диодов часто изготавливаются как прямоугольные оптические волноводы. Оптические волноводы с прямоугольной геометрией производятся различными способами, обычно планарным способом . [ требуется цитата ]
Распределение поля в прямоугольном волноводе не может быть решено аналитически, однако известны приближенные методы решения, такие как метод Маркатили [4], расширенный метод Маркатили [5] и метод Кумара [6] .
Ребристый волновод — это волновод, в котором направляющий слой в основном состоит из пластины с наложенной на нее полосой (или несколькими полосами). Ребристые волноводы также обеспечивают удержание волны в двух измерениях, а в многослойных ребристых структурах возможно удержание, близкое к единичному. [7]
Оптические волноводы обычно сохраняют постоянное поперечное сечение вдоль направления распространения. Это, например, касается полосковых и ребристых волноводов. Однако волноводы также могут иметь периодические изменения в своем поперечном сечении, при этом все еще допуская передачу света без потерь через так называемые моды Блоха. Такие волноводы называются сегментированными волноводами (с одномерным рисунком вдоль направления распространения [8] ) или фотонно-кристаллическими волноводами (с двухмерным или трехмерным рисунком [9] ).
Оптические волноводы находят свое самое важное применение в фотонике . Конфигурирование волноводов в трехмерном пространстве обеспечивает интеграцию между электронными компонентами на чипе и оптическими волокнами. Такие волноводы могут быть разработаны для одномодового распространения инфракрасного света на телекоммуникационных длинах волн и сконфигурированы для передачи 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 микроскопического объектива с высокой числовой апертурой. Путем перемещения фокусного пятна через объемный прозрачный материал волноводы могут быть записаны напрямую. [10] Разновидность этого метода использует микроскопический объектив с низкой числовой апертурой и перемещает фокусное пятно вдоль оси луча. Это улучшает перекрытие между сфокусированным лазерным лучом и фоторефрактивным материалом, тем самым уменьшая мощность, необходимую от лазера. [11] Когда прозрачный материал подвергается воздействию несфокусированного лазерного луча достаточной яркости для инициирования фоторефрактивного эффекта, волноводы могут начать формироваться самостоятельно в результате накопленной самофокусировки . [12] Образование таких волноводов приводит к разрыву лазерного луча. Продолжение экспозиции приводит к увеличению показателя преломления по направлению к центральной линии каждого волновода и уменьшению диаметра поля моды распространяющегося света. Такие волноводы остаются постоянно в стекле и могут быть сфотографированы в автономном режиме (см. рисунок справа).
Световоды — это трубки или цилиндры из твердого материала, которые используются для направления света на короткое 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. [ необходима цитата ]
Оптическое волокно обычно представляет собой диэлектрический волновод круглого сечения , состоящий из диэлектрического материала, окруженного другим диэлектрическим материалом с более низким показателем преломления . Оптические волокна чаще всего изготавливаются из кварцевого стекла , однако для определенных приложений используются и другие стеклянные материалы, а для приложений на короткие расстояния можно использовать пластиковое оптическое волокно . [ необходима цитата ]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )13. Яо Чжоу, Цзюфань Чжан, Фэнчжоу Фан. Разработка двухфокусного геометрического волноводного ближнеглазного прозрачного дисплея. Оптика и лазерные технологии, 2022, том 156, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108546.
14. Яо Чжоу, Цзюфань 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.