Введение

Физическая структура, направляющая световые волны. Оптический волновод – это физическая структура, которая направляет электромагнитные волны в оптическом диапазоне. К распространенным типам оптических волноводов относятся волноводы из оптических волокон, прозрачные диэлектрические волноводы из пластика и стекла, жидкостные световоды и волноводы с жидким сердечником. Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегрированных оптических схемах или в качестве среды передачи в локальных и магистральных оптических системах связи. Оптические волноводы классифицируются по геометрии (планарные, ленточные или волоконные волноводы), структуре мод (одномодовые, многомодовые), распределению показателя преломления (ступенчатое или градиентное) и материалу (стекло, полимер, полупроводник).

Общее внутреннее отражение

Основные принципы оптических волноводов могут быть описаны с использованием концепций геометрической или лучевой оптики, как показано на диаграмме. Свет, проходящий в среду с более высоким показателем преломления, отклоняется к нормали в результате преломления (рисунок a.). Например, свет, проходящий из воздуха в стекло. Аналогично, свет, движущийся в противоположном направлении (от стекла в воздух), проходит тем же путем, отклоняясь от нормали. Это является следствием симметрии обращения времени. Каждый луч в воздухе (черный) может быть сопоставлен с лучом в стекле (синий), как показано на рисунке b. Между ними существует однозначное соответствие. Однако из-за преломления некоторые лучи в стекле оказываются исключены (красные). Оставшиеся лучи захватываются в стекле посредством явления, называемого полным внутренним отражением. Они падают на границу стекло-воздух под углом, превышающим критический угол. Эти дополнительные лучи соответствуют более высокой плотности состояний в более сложных формулировках, основанных на функции Грина. Используя полное внутреннее отражение, мы можем захватывать и направлять свет в диэлектрическом волноводе (рисунок c). Красные лучи отражаются от верхней и нижней поверхностей среды с высоким показателем преломления. Они направляются даже при изгибе или искривлении пластины, при условии, что изгиб происходит плавно. Это основной принцип, лежащий в основе волоконной оптики, в которой свет направляется вдоль стеклянного ядра с высоким показателем преломления, окруженного стеклянной оболочкой с низким показателем преломления (рисунок d). Лучевая оптика дает лишь приблизительное представление о работе волноводов. Уравнения Максвелла могут быть решены аналитическими или численными методами для получения полного описания поля диэлектрического волновода.

Диэлектрический волновод

Возможно, самым простым оптическим волноводом является диэлектрический волновод, также называемый плоским волноводом. Благодаря своей простоте, волноводы такого типа часто используются в качестве упрощенных моделей, но также находят применение в интегральных оптических устройствах, таких как волноводные решетки и акустооптические фильтры и модуляторы. Плоский волновод состоит из трех слоев материалов с различными диэлектрическими проницаемостями, простирающихся бесконечно в направлениях, параллельных их границам. Свет удерживается в среднем слое полным внутренним отражением, если показатель преломления среднего слоя больше, чем показатели преломления окружающих слоев. Плоский волновод по сути является одномерным волноводом. Он ограничивает свет только перпендикулярно диэлектрическим границам. Для управляемых мод поле в области II на диаграмме распространяется и может рассматриваться как плоская волна. Поле в областях I и III экспоненциально затухает по мере удаления от волновода. Плоская волна в области II отражается от верхней и нижней границ под определенным углом, обычно определяемым волновым вектором в плоскости волновода. Управляемые моды интерферируют конструктивно после одного полного цикла распространения в волноводе. При каждой частоте можно найти один или несколько режимов, определяющих набор собственных значений, которые могут быть использованы для построения диаграммы зон или дисперсионного соотношения. Поскольку управляемые моды локализованы в волноводе, они не могут быть возбуждены светом, падающим на верхнюю или нижнюю границы. Свет может быть вводиться торцевым излучением или сопрягаться с помощью линзы в плоскости волновода. Альтернативно, для ввода света в волновод может использоваться элемент сопряжения, такой как дифракционная решетка или призма. Существуют 2 технологии: дифракционные волноводы и отражающие волноводы.

Полоса волновода

Полосковый волновод представляет собой, по сути, полоску слоя, заключенную между слоями облицовки. Самый простой случай – прямоугольный волновод, который формируется, когда направляющий слой планарного волновода ограничен в обоих поперечных направлениях, а не только в одном. Прямоугольные волноводы используются в интегральных оптических схемах и в лазерных диодах. Они широко применяются в качестве основы для таких оптических компонентов, как интерферометры Маха-Цендера и мультиплексоры с разделением по длине волны. Резонаторы лазерных диодов часто изготавливаются в виде прямоугольных оптических волноводов. Оптические волноводы с прямоугольной геометрией производятся различными способами, как правило, посредством планарной технологии. Распределение поля в прямоугольном волноводе не может быть решено аналитически, однако существуют известные приближенные методы решения, такие как метод Маркатили, расширенный метод Маркатили и метод Кумара.

Волновод ребра

Реберный волновод – это волновод, в котором направляющий слой по существу состоит из пластины с наложенной на неё полосой (или несколькими полосами). Реберные волноводы также обеспечивают удержание волны в двух измерениях, а почти полное удержание возможно в многослойных реберных структурах.

Сегментированный волновод и волновод фотонного кристалла

Оптические волноводы обычно поддерживают постоянное поперечное сечение вдоль направления распространения. Это справедливо, например, для волноводов типа "полоска" и "ребро". Однако волноводы также могут иметь периодические изменения поперечного сечения, при этом сохраняя возможность бесcпотерянной передачи света посредством так называемых мод Блоха. Такие волноводы называют сегментированными волноводами (с одномерной структуризацией вдоль направления распространения) или волноводами на основе фотонных кристаллов (с двумерной или трехмерной структуризацией).

Лазерный волновод

Оптические волноводы находят свое наиболее важное применение в фотонике. Конфигурирование волноводов в трехмерном пространстве обеспечивает интеграцию между электронными компонентами на чипе и оптическими волокнами. Такие волноводы могут быть спроектированы для одномодового распространения инфракрасного света на телекоммуникационных длинах волн и сконфигурированы для передачи оптического сигнала между входными и выходными точками с очень малыми 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. Для максимизации увеличения показателя преломления используются очень короткие (обычно фемтосекундные) лазерные импульсы, сфокусированные с помощью микроскопического объектива с высокой числовой апертурой. Перемещая фокусное пятно через объем прозрачного материала, можно непосредственно записывать волноводы. Вариация 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 снижая необходимую мощность лазера. При воздействии на прозрачный материал нефокусированного лазерного луча достаточной яркости для инициирования фоторефрактивного эффекта, волноводы могут начать формироваться самостоятельно в результате накопленного самофокусирования. Формирование таких волноводов приводит к разрушению лазерного луча. Продолжительное воздействие приводит к увеличению показателя преломления в направлении центральной линии каждого волновода и к уменьшению диаметра поля моды распространяющегося света. Такие волноводы остаются постоянными в стекле и могут быть сфотографированы отдельно (см. рисунок справа).

Светопровод

Световоды — это трубки или цилиндры из цельного материала, используемые для передачи света на небольшое расстояние. В электронике пластиковые световоды применяются для направления света от светодиодов на печатной плате к поверхности пользовательского интерфейса. В строительстве световоды используются для передачи естественного освещения извне здания в помещения.

Волновод из оптических волокон

Оптическое волокно обычно представляет собой диэлектрический волновод с круглым поперечным сечением, состоящий из диэлектрического материала, окруженного другим диэлектрическим материалом с более низким показателем преломления. Чаще всего оптические волокна изготавливаются из кварцевого стекла, однако для некоторых применений используются другие виды стекла, а пластиковые оптические волокна могут применяться для передачи данных на короткие расстояния.