Лекция 7 Оптические волноводы

Плоские волноводы

Передача информации от излучателей (генераторов) света к приемникам измерения осуществляется с помощью волноводов.

Волноводы представляют собой искусственный или естественный канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которой сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области.

Основным свойством волновода является существование в нем дискретного набора нормативных волн или мод, распространяющихся со своими фазовыми или групповыми скоростями.

В дальнейшем будем понимать под фазовой скоростью скорость перемещения фазы волны в определенном направлении. Существует зависимость фазовой скорости от частоты, которая определяет дисперсию волн. Дисперсия может привести к искажению формы передаваемого сигнала.

Групповая скорость волн представляет собой движение группы или ? волн, образующих в каждый момент времени локализованный в пространстве волновой пакет.

Отметим, что существующие методы изменения скоростей распределения волн дают значения групповой скорости и согласно теории относительности групповая скорость не может превышать скорости света в вакууме.

Механизм создания светового канала основывается на явлении полного внутреннего отражения.

Если на границу двух прозрачных сред с показателями преломления и(нагр.,>), под угломпадает свет, то происходит полное внутреннее отражение, где уголнаходится из.

излучательные моды излучательные моды волноводные моды

подложки

Структура плоского волновода характеризуется показателем преломления канала , подложки и покровного материала . Необходимо чтобы выполнялось условие.

Показаны три возможных случая распределения света в канале и только последний, позволяет создавать полное внутреннее отражение, т. е. угол падения света .

Постоянная распределения β для волновой моды в плоском волноводе определяется выражением β=ω/,

- фазовая скорость, k=ω/c. Обычно считают, что значение β лежит в пределах k<β<k.

Вводят понятие эффективного волнового показателя преломления N=β/k=, который лежит в пределах.

При β>распространение моды имеет экспоненциальный характер и такой тип колебаний не имеет практического применения.

При условии k<β<k имеет место гармоническая колебательная функция с max распределения по оси канала или с образованием в поперечном сечении волновода стоячей волны.

Излучательная мода подложки реализуется при условии k<β<k. Они могут существовать в волноводной структуре, однако быстро затухают из-за перекачки из канала в подложку.

В продольных элементах связи пучок света всегда падает наклонно по отношению к световоду. К продольным элементам относятся призмы и решетчатые элементы.

Схема призменного элемента связи

Угол падения выбирается так, чтобы он удовлетворял условию полного

отражения

Одновременно угол должен удовлетворять условию согласования фаз, где-волновой вектор;-постоянная распространения поверхностей волны;

Если высота воздействия промежутка достаточно высока, то между модами света в призме и волноводе существует слабая связь. При незначительном размереэнергия пучка призмы передается в канал благодаря эффекту оптического туннелирования света, который вызван нарушением полного внутреннего отражения. Перекачка энергии из излучательной моды, совпадающей с полем пучка, может происходить при условии, где- ширина (апертура) пучка падающего излучения. Недостатком призменного элемента является требование высокого показателя величины. Другой трудностью является настройка воздействия зазора, толщина которого обычно меньше λ/2 световой волны. Возникновение и накопление пыли в зазоререзко увеличивает потери световой энергии из-за рассеяния света на частичках пыли.

Решетчатый элемент связи работает аналогично призменному элементу,в нем отсутствует зазор. Любой решетчатый элемент имеет периодическую структуру и при падении на решетку волны рождаются гармоники, локализованные в области решетки. Продольные постоянные распределения этих гармоник равны:, где ϑ – индекс гармоники (0,±1,±2)– постоянная распределения поверхностей волны (, где- длина волны падающего излучения);d – период решетки.

Благодаря отрицательным значениям возможны значенияпри которых будет удовлетворятся уровень согласования фаз, что выполняется при соответствующих значениях, λ,d, .

Поле поверхностей волны состоит из ряда гармоник, причем в центре волновода преобладает основная гармоника.

Решетка может быть изготовлена из фоторезиста, предварительно экспонированного интерференционной картиной волн.

Различают синусоидальную, трапецеидальную или треугольную форму зубцов решетки.

Основной недостаток решетчатого элемента связи состоит в том, что значительная часть световой волны гасится в подложке вследствие многократного прохождения через решетку. Поэтому, эффективность связи решетчатого элемента меньше чем у призменного элемента связи.

Волноводы могут быть выполнены на пассивных и активных подложках. Пассивные подложки – это, как правило, подложки из стекла, что весьма просто и экономично, причем применяется легированное стекло в виде тонких пленок. Активные волноводные структуры формируются на основе активных диэлектриков, и тогда оптическими свойствами таких структур может управлять внешними электромагнитными полями.