Una guía de ondas óptica es una estructura física que guía las ondas electromagnéticas en el espectro óptico . Los tipos comunes de guías de ondas ópticas incluyen fibra óptica y guías de ondas dieléctricas transparentes hechas de plástico y vidrio.
Las guías de ondas ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados o como medio de transmisión en sistemas de comunicación óptica locales y de larga distancia .
Las guías de ondas ópticas se pueden clasificar según su geometría (guías de ondas planas, de banda o de fibra), estructura de modo ( monomodo , multimodo ), distribución del índice de refracción (índice de gradiente o escalón) y material ( vidrio , polímero , semiconductor ).
Guía de ondas de placa dieléctrica
Las guías de ondas ópticas prácticas de geometría rectangular se entienden más fácilmente como variantes de una guía de ondas de placa dieléctrica teórica , [1] también llamada guía de ondas plana . [2] La guía de ondas de losa consta de tres capas de materiales con diferentes constantes dieléctricas, que se extienden infinitamente en las direcciones paralelas a sus interfaces.
La luz puede quedar confinada en la capa media por una reflexión interna total . Esto ocurre solo si el índice dieléctrico de la capa intermedia es mayor que el de las capas circundantes. En la práctica, las guías de onda de losa no son infinitas en la dirección paralela a la interfaz, pero si el tamaño típico de las interfaces es mucho mayor que la profundidad de la capa, el modelo de guía de ondas de losa será una excelente aproximación. Los modos guiados de una guía de ondas de placa no pueden ser excitados por la luz incidente desde las interfaces superior o inferior. La luz debe inyectarse con una lente desde el costado hacia la capa intermedia. Alternativamente, se puede usar un elemento de acoplamiento para acoplar luz a la guía de ondas, tal como un acoplador de rejilla o acoplador de prisma.
Un modelo de modos guiados es el de una onda plana reflejada hacia adelante y hacia atrás entre las dos interfaces de la capa media, en un ángulo de incidencia entre la dirección de propagación de la luz y la dirección normal , o perpendicular, a la interfaz del material es mayor que el ángulo crítico . El ángulo crítico depende del índice de refracción de los materiales, que puede variar según la longitud de onda de la luz. Tal propagación dará como resultado un modo guiado solo en un conjunto discreto de ángulos donde la onda plana reflejada no interfiere destructivamente consigo misma.
Esta estructura confina las ondas electromagnéticas solo en una dirección y, por lo tanto, tiene poca aplicación práctica. Sin embargo, las estructuras que pueden aproximarse a las guías de onda de losa ocurren a veces como estructuras incidentales en otros dispositivos.
Las guías de ondas se utilizan en las gafas de realidad aumentada , existen 2 tecnologías: guías de ondas difractivas y guías de ondas reflectantes.
Guías de ondas bidimensionales
Tira de guías de onda
Una guía de ondas de banda es básicamente una banda de la capa confinada entre las capas de revestimiento. El caso más simple es una guía de ondas rectangular , que se forma cuando la capa de guía de la guía de ondas de losa está restringida en ambas direcciones transversales en lugar de solo una. Las guías de ondas rectangulares se utilizan en circuitos ópticos integrados y en diodos láser . Se utilizan habitualmente como base de componentes ópticos como los interferómetros Mach-Zehnder y los multiplexores por división de longitud de onda . Las cavidades de los diodos láser se construyen frecuentemente como guías de ondas ópticas rectangulares. Las guías de ondas ópticas con geometría rectangular se producen mediante una variedad de medios, generalmente mediante un proceso plano . [ cita requerida ]
La distribución de campo en una guía de ondas rectangular no se puede resolver analíticamente, sin embargo se conocen métodos de solución aproximados, como el método de Marcatili , [3] el método de Marcatili extendido [4] y el método de Kumar , [5] .
Guías de ondas de costillas
Una guía de ondas de nervadura es una guía de ondas en la que la capa de guía consiste básicamente en la losa con una tira (o varias tiras) superpuesta sobre ella. Las guías de ondas de nervadura también proporcionan confinamiento de la onda en dos dimensiones y el confinamiento casi unitario es posible en estructuras de nervadura de múltiples capas. [6]
Guías de ondas segmentadas y guías de ondas de cristal fotónico
Las guías de ondas ópticas suelen mantener una sección transversal constante a lo largo de su dirección de propagación. Este es, por ejemplo, el caso de las guías de ondas de banda y nervadura. Sin embargo, las guías de ondas también pueden tener cambios periódicos en su sección transversal y, al mismo tiempo, permitir la transmisión de luz sin pérdidas a través de los llamados modos Bloch. Estas guías de ondas se denominan guías de ondas segmentadas (con un patrón 1D a lo largo de la dirección de propagación [7] ) o guías de ondas de cristal fotónico (con un patrón 2D o 3D [8] ).
Guías de ondas grabadas con láser
Las guías de ondas ópticas encuentran su aplicación más importante en la fotónica . La configuración de las guías de ondas en el espacio 3D proporciona integración entre los componentes electrónicos en un chip y las fibras ópticas. Tales guías de ondas pueden diseñarse para una propagación monomodo de luz infrarroja en longitudes de onda de telecomunicaciones, y configurarse para entregar una señal óptica entre las ubicaciones de entrada y salida con una pérdida muy baja.
Uno de los métodos para construir tales guías de ondas utiliza el efecto fotorrefractivo en materiales transparentes. Un aumento en el índice de refracción de un material puede ser inducido por absorción no lineal de luz láser pulsada. Para maximizar el aumento del índice de refracción, se utilizan pulsos de láser muy cortos (típicamente femtosegundos) y se enfocan con un objetivo de microscopio de alta NA. Al traducir el punto focal a través de un material transparente a granel, las guías de ondas se pueden escribir directamente. [9] Una variación de este método utiliza un objetivo de microscopio de baja NA y traslada el punto focal a lo largo del eje del haz. Esto mejora la superposición entre el rayo láser enfocado y el material fotorrefractivo, reduciendo así la potencia necesaria del láser. [10]
Cuando el material transparente se expone a un rayo láser desenfocado de brillo suficiente para iniciar efecto fotorrefractiva, las guías de ondas pueden empezar a formar en su propio como resultado de un acumulado de auto-centrado . [11] La formación de tales guías de ondas conduce a una ruptura del rayo láser. La exposición continua da como resultado una acumulación del índice de refracción hacia la línea central de cada guía de ondas y el colapso del diámetro del campo modal de la luz que se propaga. Estas guías de ondas permanecen permanentemente en el cristal y se pueden fotografiar fuera de línea (vea la imagen de la derecha).
Tubos de luz
Los tubos de luz son tubos o cilindros de material sólido que se utilizan para guiar la luz a corta distancia. En electrónica, los tubos de luz de plástico se utilizan para guiar la luz desde los LED en una placa de circuito hasta la superficie de la interfaz de usuario. En los edificios, los tubos de luz se utilizan para transferir la iluminación desde el exterior del edificio a donde se necesita en el interior. [ cita requerida ]
Fibra óptica
La fibra óptica es típicamente una guía de ondas dieléctrica de sección transversal circular que consta de un material dieléctrico rodeado por otro material dieléctrico con un índice de refracción más bajo . Las fibras ópticas se fabrican más comúnmente a partir de vidrio de sílice , sin embargo, se usan otros materiales de vidrio para ciertas aplicaciones y la fibra óptica plástica se puede usar para aplicaciones de corta distancia. [ cita requerida ]
Ver también
- Guía de ondas ARROW
- Longitud de onda de corte
- Constante dieléctrica
- Holografía planar digital
- Radiación electromagnética
- Amplificador de guía de ondas dopado con erbio
- Distribución del modo de equilibrio
- Modo con fugas [12]
- Pantalla de guía de luz
- Medio de transmision
- Guía de ondas
- Guía de ondas (electromagnetismo)
- Fibra de cristal fotónico
- Cristal fotónico
- Acoplador de prisma
- Guía de ondas de modo cero
Referencias
- ^ Ramo, Simon, John R. Whinnery y Theodore van Duzer, Fields and Waves in Communications Electronics , 2 ed., John Wiley and Sons, Nueva York, 1984.
- ^ "Fotónica de silicio", por Graham T. Reed, Andrew P. Knights
- ^ Marcatili, EAJ (1969). "Guía de ondas rectangular dieléctrico y acoplador direccional para óptica integrada". Bell Syst. Tech. J . 48 (7): 2071–2102. doi : 10.1002 / j.1538-7305.1969.tb01166.x .
- ^ Westerveld, WJ, Leinders, SM, van Dongen, KWA, Urbach, HP y Yousefi, M (2012). "Extensión del enfoque analítico de Marcatili para guías de ondas ópticas rectangulares de silicio". Revista de tecnología Lightwave . 30 (14): 2388–2401. arXiv : 1504.02963 . Código bibliográfico : 2012JLwT ... 30.2388W . doi : 10.1109 / JLT.2012.2199464 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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enlaces externos
- AdvR: guías de onda dopadas con rubidio en titanilfosfato de potasio (KTP)