Жұқа пленелі кедергілі рефлексиялық оптикалық толқынжолдар (ARROW) және фотоникалық чип жүйелеріндегі қолданылуы
ARROW waveguide
Жарық толқындарын аз шығыстармен жеткізетін ARROW оптикалық толқынжолдары туралы біліңіз. Жұқа пленкалық интерференция, Fabry-Pérot рефлекторы негізінде жұмыс істейді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Оптикада ARROW (антирезонансты шағылыстыратын оптикалық толқын жетек) – жарықты аз жоғалтумен бағыттау үшін жұқа қабатты интерференция принципін пайдаланатын толқын жетек түрі. Ол антирезонансты Фабри-Перо рефлекторынан жасалады. Оптикалық толқын шашырап тұрады, бірақ Фабри-Перо рефлекторын жеткілікті түрде жоғары сапалы немесе кішкентай өлшемді ету арқылы салыстырмалы түрде аз жоғалтумен таралуға қол жеткізуге болады.
In optics, an ARROW (anti resonant reflecting optical waveguide) is a type of waveguide that uses the principle of thin film interference to guide light with low loss. It is formed from an anti resonant Fabry–Pérot reflector. The optical mode is leaky, but relatively low loss propagation can be achieved by making the Fabry–Pérot reflector of sufficiently high quality or small size.
Қарастырылатын мәселелер
ARROW-тар цилиндрлік толқын жетектері (2D шектеу) немесе плита толқын жетектері (1D шектеу) ретінде жүзеге асырылуы мүмкін. Екінші ARROW-тар жоғары көрсеткішті қабаттардың арасына енгізілген төмен көрсеткішті қабат арқылы жасалады. Бұл ARROW-тардың көрсеткіштерi, әдеттегi толқын жетектерiмен салыстырғанда керi болады. Жарық жоғары көрсеткішті қабаттардың iшкi бетiнде толық iшкi шағылысу (TIR) арқылы шектеледi, бiрақ төмен көрсеткіштi орталық көлеммен күштi модальдық жабысуға жетедi. Геометриялық оптикадағыдай "сәулелердi" көзге елестете отырып, қарапайым түсiндiрме арқылы осы күштi жабысу мүмкiн екендiгiн көрсетуге болады. Мұндай сәулелер төмен көрсеткіштi iшкi қабатқа енгенде өте кiшкентай бұрышта сындырылады. Осылайша, бұл сәулелер төмен көрсеткіштi iшкi қабаттың iшiнде "ұзақ уақыт сақталады" деген метафораны қолдануға болады. Бұл тек метафора ғана және сәулелiк оптиканың түсiндiру мүмкiндiгi осы ARROW-тар жасалатын микрометрлiк өлшемдерде өте шектеулi.
ARROWs can be realized as cylindrical waveguides (2D confinement) or slab waveguides (1D confinement). The latter ARROWs are practically formed by a low index layer, embedded between higher index layers. Note that the refractive indices of these ARROWs are reversed, when comparing to usual waveguides. Light is confined by total internal reflection (TIR) on the inside of the higher index layers, but achieves a lot of modal overlap with the lower index central volume. This strong overlap can be made plausible in a simplified picture imagining "rays", as in geometrical optics. Such rays are refracted into a very shallow angle, when entering the low index inner layer. Thus, one can use the metaphor that these rays "stay very long inside" the low index inner layer. Note this is just a metaphor and the explanatory power of ray optics is very limited for the micrometer scales, at which these ARROWs are typically made.
Қолданбалар
ARROW жиі сұйықтықтардағы жарықты бағыттау үшін, әсіресе фотоникалық зертханадағы чиптік талдау жүйелерінде (PhLoC) қолданылады. Дәстүрлі толқын жетектері жалпы ішкі шағылысу принципіне негізделген, ол тек бағыттаушы өзектің сыну индексі оның айналасындағы ортаның сыну индексінен жоғары болғанда ғана мүмкін болады. Дегенмен, бағыттаушы өзекті жасауға қолданылатын материалдар әдетте полимер және кремний негізіндегі материалдар болып табылады, олардың сыну индексі (n=1.4–3.5) судың сыну индексінен (n = 1.33) жоғары. Осының салдарынан, сулы ерітіндімен толтырылған кезде дәстүрлі қуыс ядролы толқын жетектері жұмыс істемейді, бұл PhLoC жүйелерін қолданусыз етеді. Ал ARROW, керісінше, сұйықтықпен толтырылуы мүмкін, себебі ол жарықты толығымен интерференция арқылы шектейді, бұл бағыттаушы өзектің сыну индексі қоршаған материалдардың сыну индексінен төмен болуын талап етеді. Осылайша, ARROW PhLoC жүйелері үшін өте қолайлы құрылыс блогы болып табылады. ARROW PhLoC құруда дәстүрлі толқын жетектерінен үлкен артықшылықтарға ие болғанымен, олардың да кемшіліктері бар. ARROW-тың басты мәселесі – жарық жоғалуы. ARROW-тағы жарық жоғалуы PhLoC жүйелерінің сигнал-шу қатынасын төмендетеді. Бұл мәселені шешу мақсатында ARROW-тың әртүрлі нұсқалары жасалып, сынақтан өтті.
ARROW are often used for guiding light in liquids, particularly in photonic lab on a chip analytical systems (PhLoCs). Conventional waveguides rely on the principle of total internal reflection, which can only occur if the refractive index of the guiding core material is greater than the refractive indexes of its surroundings. However, the materials used to make the guiding core are typically polymer and silicon based materials, which have higher refractive indexes (n=1.4 3.5) than that of water (n = 1.33). As a result, a conventional hollow core waveguide no longer works once it's filled with water solution, making the PhLoCs useless. An ARROW, on the other hand, can be liquid filled since it confines light completely by interference, which requires that the refractive index of the guiding core to be lower than the refractive index of the surrounding materials. Thus, ARROWs become the ideal building blocks for PhLoCs. Though ARROWs carry big advantage over conventional waveguide for building PhLoCs, they are not perfect. The main problem of ARROW is its undesirable light loss. Light loss of ARROWs decreases the signal to noise ratio of the PhLoCs. Different versions of ARROWs have been designed and tested in order to overcome this problem.