Кіріспе

Жарық толқындарын бағыттайтын физикалық құрылым. Оптикалық толқын жетекшісі – оптикалық спектрдегі электромагниттік толқындарды бағыттайтын физикалық құрылым. Оптикалық толқын жетекшілердің көп тараған түрлері: оптикалық талшық жетекшілер, пластик және шыныдан жасалған мөлдір диэлектрикалық жетекшілер, сұйық жарық жетекшілер және сұйық толқын жетекшілер. Оптикалық толқын жетекшілері интегралдық оптикалық схемалардың компоненттері ретінде немесе жақын және ұзақ қашықтықтағы оптикалық байланыс жүйелеріндегі беріліс ортасы ретінде қолданылады. Оптикалық толқын жетекшілерін геометриясы (жазық, жолақты немесе талшықты жетекшілер), режимдік құрылымы (бір режимді, көп режимді), сыну көрсеткішінің таралуы (қадамдық немесе градиенттік) және материалы (шыны, полимер, жартылай өткізгіш) бойынша жіктеуге болады.

Жалпы ішкі шағылысу

Оптикалық толқын жетектерінің негізгі принциптерін геометриялық немесе сәулелік оптика тұжырымдары арқылы сипаттауға болады, бұл диаграммада көрсетілген. Жоғары сыну көрсеткіші бар ортаға өтетін жарық, сыну процесі нәтижесінде қалыптыға қарай иіледі (a суреті). Мысалы, ауадан шыныға өтетін жарықты қарастырайық. Сол сияқты, кері бағытта (шыныдан ауаға) қозғалатын жарық та сол жолмен жүріп, қалыптыдан алыстайды. Бұл уақыттың кері симметриясының салдары. Ауадағы әрбір сәуле (қара) шыныдағы сәулеге (көк) сәйкес келеді, бұл b суретінде көрсетілген. Бір-бірге сәйкестік бар. Бірақ сынудың нәтижесінде, шыныдағы кейбір сәулелер қалыптан шығып қалады (қызыл). Қалған сәулелер толық ішкі шағылыс деп аталатын процесс арқылы шыныда тұрақтап қалады. Олар шыны-ауа интерфейсіне, сындық бұрыштан жоғары бұрышпен түседі. Бұл қосымша сәулелер, Грин функциясына негіделген кеңейтілген формулалардағы жоғары тығыздық күйлеріне сәйкес келеді. Толық ішкі шағылысты пайдаланып, біз жарықты диэлектрлік толқын жетекшіге (c суреті) ұстап, бағыттай аламыз. Қызыл сәулелер жоғары сыну көрсеткіші бар ортаның жоғарғы және төменгі беттерінен секіріп, қайтарылады. Олар тіпті, егер плита иілсе немесе бүгілсе де, баяу бүгілгенде бағытталады. Бұл оптикалық талшықтардың негізгі принципі, онда жарық төменгі сыну көрсеткіші бар шыны қаптамасындағы жоғары сыну көрсеткіші бар шыны өзек арқылы бағытталады (d суреті). Сәулелік оптика толқын жетектерінің қалай жұмыс істейтіні туралы жалпы мәлімет береді. Диэлектрлік толқын жетекшінің толық өріс сипаттамасы үшін Максвелл теңдеулерін аналитикалық немесе сандық әдістермен шешуге болады.

Диэлектрлік плита толқын жетектері

Мүмкін ең қарапайым оптикалық толқын жетек – диэлектрлік тақта толқын жетек, оны жазық толқын жетек деп те атайды. Олардың қарапайымдылығының арқасында, тақталық толқын жетектері көбінесе модельдік үлгілер ретінде қолданылады, сонымен қатар қатар тізілген толқын жетектерінің торлары, акустооптикалық сүзгілер мен модуляторлар сияқты чиптегі құрылғыларда да қолданылады. Тақта толқын жетегі әртүрлі диэлектрлік тұрақтылары бар материалдардың үш қабатынан тұрады, олар олардың интерфейстеріне параллель бағытта шексіз созылады. Егер ортаңғы қабаттың сындыру көрсеткіші қоршаған қабаттардың көрсеткішінен жоғары болса, жарық ортаңғы қабатта толық ішкі шағылысу арқылы шектеледі. Тақта толқын жетегі негізінен бір өлшемді толқын жетек болып табылады. Ол тек диэлектрлік интерфейстерге перпендикуляр жарықты бағыттайды. Бағытталған режимдер үшін, диаграммадағы II домендегі өріс таралады және оны жазық толқын ретінде қарастыруға болады. I және III домендердегі өріс тақтадан тез арада әлсірейеді. II домендегі жазық толқын жоғарғы және төменгі интерфейстер арасында белгілі бір бұрышта секіреді, бұл бұрыш әдетте тақта жазықтығындағы толқын векторымен анықталады. Бағытталған режимдер тақтада толық айналым жасағанда конструктивті түрде келіседі. Әрбір жиілікте бір немесе бірнеше режимдер табылуы мүмкін, олар өзіндік мәндер жиынтығын береді, оларды жолақты диаграмма немесе дисперсиялық қатынас құру үшін пайдалануға болады. Бағытталған режимдер тақтада тұтқындалғандықтан, оларды жоғарғы немесе төменгі интерфейстерге түсетін жарық қоздыра алмайды. Жарықты линза арқылы тақта жазықтығына енгізу арқылы ұштық немесе бүйірлік байлау арқылы қосуға болады. Сонымен қатар, жарықты толқын жетекке қосу үшін торлы немесе призмалық байлау элементтері сияқты құрылғыларды пайдалануға болады. Барлығы екі технология бар: дифракциялық толқын жетектері және шағылыстыратын толқын жетектері.

Жапсырма толқын жетек

Жолақты толқын жетек – қаптама қабаттарының арасында шектелген қабаттың жолағы. Ең қарапайым жағдайы – тікбұрышты толқын жетек, ол плиталық толқын жетектегі жетекші қабат тек бір ғана емес, екі көлденең бағытта шектеледі. Тікбұрышты толқын жетектері интегралдық оптикалық тізбектерде және лазерлік диодтарда қолданылады. Олар Мах-Цендер интерферометрлері және толқын ұзындығын бөліп мультиплекстеу құрылғылары сияқты оптикалық компоненттердің негізі ретінде жиі қолданылады. Лазерлік диодтардың резонаторлары көбінесе тікбұрышты оптикалық толқын жетектері түрінде жасалады. Тікбұрышты геометриялы оптикалық толқын жетектері әртүрлі тәсілдермен, әдетте жазықтық процестер арқылы өндіріледі. Тікбұрышты толқын жетектеріндегі өріс таралуын аналитикалық түрде шешу мүмкін емес, бірақ Маркатили әдісі, кеңейтілген Маркатили әдісі және Кумар әдісі сияқты жуықтап шешу әдістері белгілі.

Қабырға толқын жетектері

Қабырғалық толқын жетектері – бұл толқын жетектері, онда толқынды жетектеуші қабат негізінен жалақтан тұрады, үстіне жолақ (немесе бірнеше жолақ) орналастырылған. Қабырғалық толқын жетектері толқынды екі өлшемде шектеуді қамтамасыз етеді, ал көп қабатты қабырғалық құрылымдарда бірлікке жуық шектеуге қол жеткізу мүмкін.

Сегментті толқын жетектері және фотоникалық кристалл толқын жетектері

Оптикалық толқын жетектері әдетте таралу бағыты бойынша тұрақты көлденең қиманы сақтайды. Мұндай жағдай, мысалы, жолақты және қабырғалы толқын жетектерінде кездеседі. Дегенмен, толқын жетектері өз көлденең қимасында периодты өзгерістерге ие болса да, жарықты жоғалтусыз беруді «Блох режимдері» арқылы қамтамасыз ете алады. Мұндай толқын жетектері сегменттелген толқын жетектері (таралу бағыты бойынша 1D құрылымдалған) немесе фотондық кристалдық толқын жетектері (2D немесе 3D құрылымдалған) деп аталады.

Лазерлік жазулы толқын жетектері

Оптикалық толқын жетектері фотоникада ең маңызды қолданысқа ие. Толқын жетектерін 3D кеңістікте конфигурациялау чиптегі электрондық компоненттер мен оптикалық талшықтар арасында интеграцияны қамтамасыз етеді. Мұндай толқын жетектері телекоммуникациялық толқын ұзындықтарында инфрақызыл жарықтың бір режимде таралуына арналған және кіріс және шығыс нүктелері арасында өте төмен шығынмен оптикалық сигналды жеткізу үшін конфигурациялануы мүмкін. Мұндай толқын жетектерін құрудың бір әдісі – мөлдір материалдардағы фоторефрактивтік эффектті пайдалану. Материалдың сыну индексінің өсуі импульсті лазерлік сәуленің сызықтық емес сіңіруінен туындауы мүмкін. Сыну индексінің өсуін барынша арттыру үшін өте қысқа (әдетте фемтосекундтық) лазерлік импульстер қолданылады және жоғары NA микроскоп объективімен фокусқа келтіріледі. Фокус нүктесін мөлдір материал арқылы жылжыту арқылы толқын жетектерін тікелей жасауға болады. Бұл әдістің бір түрі төмен NA микроскоп объективін пайдаланады және фокус нүктесін сәуленің осі бойымен жылжытады. Бұл фокусталған лазерлік сәуле мен фоторефрактивтік материал арасындағы үйлесімділікті жақсартады, соның салдарынан лазерден қажетті қуатты азайтады. Мөлдір материал фоторефрактивтік эффектті іске қосуға жеткілікті жарықтығы бар фокуссыз лазерлік сәулеге ұшырағанда, толқын жетектері жинақталған өзін-өзі фокустау нәтижесінде өздігінен қалыптаса бастауы мүмкін. Мұндай толқын жетектерінің пайда болуы лазерлік сәуленің бөлінуіне әкеледі. Ұзақ уақыт бойы әсер етудің нәтижесінде әрбір толқын жетектерінің орта сызығына қарай сыну индексінің өсуі және таралатын жарықтың режимдік өрісінің диаметрінің азаюы байқалады. Мұндай толқын жетектері шыныда тұрақты болып қалады және оффлайн режимінде фотоға түсірілуі мүмкін (оң жақтағы суретті қараңыз).

Жарық құбырлары

Жарық құбырлары – жарықты қысқа қашықтыққа бағыттауға арналған қатты материалдан жасалған түтікшелер немесе цилиндрлер. Электроникада пластик жарық құбырлары тізбек тақтасындағы жарықдиодтардан (LED) жарықты пайдаланушы интерфейсіне жеткізу үшін қолданылады. Ғимараттарда жарық құбырлары ғимараттың сыртынан жарықты ішке, қажетті жерлерге жеткізуге пайдаланылады.

Оптикалық талшықты толқын жетек

Оптикалық талшық – әдетте, төменгі сындыру көрсеткішіне ие басқа диэлектрлік материалмен оралған диэлектрлік материалдан тұратын дөңгелек қималы диэлектрлік толқын жетек. Оптикалық талшықтар көбінесе кремний шынысынан жасалады, бірақ кейбір қолданулар үшін басқа шыны материалдары да қолданылады, ал қысқа қашықтықтарда пластикалық оптикалық талшықтар қолданылуы мүмкін.