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Guía de ondas (óptica)

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 guías de onda...

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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 guías de ondas de fibra óptica , guías de ondas dieléctricas transparentes hechas de plástico y vidrio, guías de luz líquida y guías de ondas líquidas.

Las guías de onda ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados o como medio de transmisión en sistemas de comunicación óptica locales y de larga distancia . También pueden utilizarse en pantallas ópticas montadas en la cabeza para realidad aumentada . [ 1 ]

Las guías de onda ópticas se pueden clasificar según su geometría (guías de onda planas, de tira o de fibra), estructura modal ( monomodo , multimodo ), distribución del índice de refracción (índice escalonado o de gradiente) y material ( vidrio , polímero , semiconductor ).

Reflexión interna total

La luz se refracta en una interfaz dieléctrica, a. , estableciendo una correspondencia entre los rayos en los dos medios, b . Algunos rayos en el medio de mayor índice quedan fuera del emparejamiento (rojo) y son atrapados por reflexión interna total . c. Este mecanismo puede utilizarse para atrapar la luz en una guía de ondas . d. Este es el principio básico de la fibra óptica, en la que la luz se guía a lo largo de un núcleo de vidrio de alto índice en un revestimiento de vidrio de menor índice .

Los principios básicos de las guías de onda ópticas se pueden describir utilizando los conceptos de óptica geométrica o de rayos , como se ilustra en el diagrama.

La luz que pasa a un medio con un índice de refracción mayor se desvía hacia la normal mediante el proceso de refracción (Figura a ). Tomemos, por ejemplo, la luz que pasa del aire al vidrio. De manera similar, la luz que viaja en la dirección opuesta (del vidrio al aire) toma el mismo camino, desviándose de la normal. Esto es consecuencia de la simetría de inversión temporal . Cada rayo en el aire (negro) se puede mapear a un rayo en el vidrio (azul), como se muestra en la Figura b . Hay una correspondencia uno a uno. Pero debido a la refracción, algunos de los rayos en el vidrio quedan fuera (rojo). Los rayos restantes quedan atrapados en el vidrio mediante un proceso llamado reflexión interna total . Inciden en la interfaz vidrio-aire con un ángulo superior al ángulo crítico . Estos rayos adicionales corresponden a una mayor densidad de estados en formulaciones más avanzadas basadas en la función de Green .

Mediante la reflexión interna total, la luz puede ser atrapada y guiada en una guía de ondas dieléctrica (Figura c ). Los rayos rojos rebotan en las superficies superior e inferior del medio de alto índice. Se guían incluso si la lámina se curva o se dobla, siempre que lo haga lentamente. Este es el principio básico de la fibra óptica, en la que la luz se guía a lo largo de un núcleo de vidrio de alto índice dentro de un revestimiento de vidrio de menor índice (Figura d ).

La óptica geométrica solo ofrece una visión aproximada del funcionamiento de las guías de onda. Las ecuaciones de Maxwell pueden resolverse mediante métodos analíticos o numéricos para obtener una descripción completa del campo de una guía de onda dieléctrica.

Guía de ondas de placa dieléctrica

Una guía de ondas de lámina dieléctrica consta de tres capas dieléctricas con diferentes índices de refracción.

Quizás la guía de ondas óptica más simple sea la guía de ondas plana dieléctrica , [ 2 ] también llamada guía de ondas planar . [ 3 ] Debido a su simplicidad, las guías de ondas planas se utilizan a menudo como modelos de juguete, pero también encuentran aplicación en dispositivos en chip como rejillas de guía de ondas en matriz y filtros y moduladores acustoópticos .

La guía de ondas plana consta de tres capas de materiales con diferentes constantes dieléctricas, que se extienden infinitamente en las direcciones paralelas a sus interfaces. La luz se confina en la capa intermedia por reflexión interna total si el índice de refracción de dicha capa es mayor que el de las capas circundantes.

La guía de ondas plana es esencialmente una guía de ondas unidimensional. Atrapa la luz solo perpendicular a las interfaces dieléctricas. Para los modos guiados , el campo en el dominio II del diagrama se propaga y puede tratarse como una onda plana . El campo en los dominios I y III decae evanescentemente alejándose de la lámina. La onda plana en el dominio II rebota entre las interfaces superior e inferior en algún ángulo típicamente especificado por laβ→{\displaystyle {\vec {\beta }}}, el vector de onda en el plano de la lámina. Los modos guiados interfieren constructivamente en un recorrido completo en la lámina. En cada frecuencia, se pueden encontrar uno o más modos que dan un conjunto de autovalores.(ω,β→){\displaystyle (\omega ,{\vec {\beta }})}que se pueden utilizar para construir un diagrama de bandas o una relación de dispersión .

Debido a que los modos guiados quedan atrapados en la lámina, no pueden ser excitados por la luz incidente en las interfaces superior o inferior. La luz puede acoplarse frontalmente o lateralmente inyectándola con una lente en el plano de la lámina. Alternativamente, se puede utilizar un elemento de acoplamiento para introducir la luz en la guía de ondas, como un acoplador de rejilla o un acoplador de prisma.

Existen dos tecnologías: guías de onda difractivas y guías de onda reflectantes.

Guía de ondas bidimensional

guía de ondas en tira

Una guía de onda de tira es básicamente una tira de la capa confinada entre capas de revestimiento. El caso más simple es una guía de onda rectangular , que se forma cuando la capa guía de la guía de onda plana está restringida en ambas direcciones transversales en lugar de solo en una. Las guías de onda rectangulares se utilizan en circuitos ópticos integrados y en diodos láser . Se utilizan comúnmente como base de componentes ópticos tales como interferómetros Mach-Zehnder y multiplexores de división de longitud de onda . Las cavidades de los diodos láser se construyen frecuentemente como guías de onda ópticas rectangulares. Las guías de onda ópticas con geometría rectangular se producen por una variedad de medios, generalmente por un proceso planar .

La distribución del 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 , [ 4 ] el método extendido de Marcatili [ 5 ] y el método de Kumar , [ 6 ] .

guía de ondas de nervadura

Una guía de onda de nervadura es una guía de onda en la que la capa guía consiste básicamente en una lámina con una tira (o varias tiras) superpuesta. Las guías de onda de nervadura también proporcionan confinamiento de la onda en dos dimensiones, y es posible un confinamiento casi unitario en estructuras de nervadura multicapa. [ 7 ]

Guía de ondas segmentada y guía de ondas de cristal fotónico

Las guías de onda ópticas suelen mantener una sección transversal constante en su dirección de propagación. Este es el caso, por ejemplo, de las guías de onda de tira y de nervadura. Sin embargo, las guías de onda también pueden presentar cambios periódicos en su sección transversal, permitiendo aun así la transmisión de luz sin pérdidas mediante los denominados modos de Bloch. Estas guías de onda se conocen como guías de onda segmentadas (con un patrón unidimensional en la dirección de propagación [ 8 ] ) o como guías de onda de cristal fotónico (con un patrón bidimensional o tridimensional [ 9 ] ).

Guía de ondas grabada con láser

Las guías de onda ópticas encuentran su aplicación más importante en la fotónica . La configuración de las guías de onda en el espacio 3D permite la integración entre los componentes electrónicos de un chip y las fibras ópticas. Dichas guías de onda pueden diseñarse para la propagación monomodo de luz infrarroja en longitudes de onda de telecomunicaciones y configurarse para transmitir la señal óptica entre los puntos de entrada y salida con pérdidas mínimas.

Guías de onda ópticas formadas en vidrio de sílice puro como resultado de un efecto de autoenfoque acumulado con irradiación láser de 193 nm. Imagen obtenida mediante microscopía de transmisión con iluminación colimada.

Uno de los métodos para construir dichas guías de onda utiliza el efecto fotorrefractivo en materiales transparentes. Un aumento en el índice de refracción de un material puede ser inducido por la absorción no lineal de luz láser pulsada. Para maximizar el aumento del índice de refracción, se utilizan pulsos láser muy cortos (típicamente de femtosegundos) y se enfocan con un objetivo de microscopio de alta NA. Al desplazar el punto focal a través de un material transparente masivo, las guías de onda pueden escribirse directamente. [ 10 ] Una variación de este método utiliza un objetivo de microscopio de baja NA y desplaza el punto focal a lo largo del eje del haz. Esto mejora la superposición entre el haz láser enfocado y el material fotorrefractivo, reduciendo así la potencia necesaria del láser. [ 11 ] Cuando el material transparente se expone a un haz láser desenfocado con brillo suficiente para iniciar el efecto fotorrefractivo, las guías de onda pueden comenzar a formarse por sí solas como resultado de un autoenfoque acumulado . [ 12 ] La formación de dichas guías de onda conduce a la ruptura del haz láser. La exposición continua provoca un aumento del índice de refracción hacia el eje central de cada guía de onda y una disminución del diámetro del campo modal de la luz que se propaga. Estas guías de onda permanecen permanentemente en el vidrio y pueden fotografiarse fuera de línea (véase la imagen de la derecha).

Tubo de luz

Las guías de luz son tubos o cilindros de material sólido que se utilizan para conducir la luz a corta distancia. En electrónica, las guías de luz de plástico se utilizan para dirigir la luz desde los LED de una placa de circuito impreso hasta la superficie de la interfaz de usuario. En la construcción, se utilizan para transferir la iluminación desde el exterior del edificio hasta donde se necesita en el interior.

guía de ondas de fibra óptica

La propagación de la luz a través de una fibra óptica multimodo.

La fibra óptica es típicamente una guía de onda dieléctrica de sección transversal circular que consta de un material dieléctrico rodeado por otro material dieléctrico con un índice de refracción menor . Las fibras ópticas se fabrican comúnmente con vidrio de sílice ; sin embargo, se utilizan otros materiales de vidrio para ciertas aplicaciones y la fibra óptica de plástico puede utilizarse para aplicaciones de corta distancia.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Xiong, Jianghao; Hsiang, En-Lin; He, Ziqian; Zhan, Tao; Wu, Shin-Tson (2021-10-25). "Pantallas de realidad aumentada y realidad virtual: tecnologías emergentes y perspectivas futuras" . Light: Science & Applications . 10 (1): 216. Bibcode : 2021LSA....10..216X . doi : 10.1038/ s41377-021-00658-8 . ISSN 2047-7538 . PMC 8546092. PMID 34697292 .   
  2. ↑ Ramo, Simon, John R. Whinnery y Theodore van Duzer, Campos y ondas en la electrónica de comunicaciones , 2.ª ed., John Wiley and Sons, Nueva York, 1984.
  3. ↑ "Fotónica de silicio", por Graham T. Reed y Andrew P. Knights
  4. ↑ Marcatili, EAJ (1969). "Guía de onda rectangular dieléctrica y acoplador direccional para óptica integrada". Bell Syst. Tech. J. 48 ( 7): 2071– 2102. doi : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01166.x .
  5. ↑ Westerveld, WJ, Leinders, SM, van Dongen, KWA, Urbach, HP y Yousefi, M (2012). "Extensión del enfoque analítico de Marcatili para guías de onda ópticas de silicio rectangulares". Journal of Lightwave Technology . 30 (14): 2388– 2401. arXiv : 1504.02963 . Bibcode : 2012JLwT...30.2388W . doi : 10.1109/JLT.2012.2199464 . S2CID 23182579 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  6. ↑ Kumar, A., K. Thyagarajan y AK Ghatak. (1983). "Análisis de guías de onda dieléctricas de núcleo rectangular: un enfoque de perturbación preciso". Opt. Lett . 8 (1): 63– 65. Bibcode : 1983OptL....8...63K . doi : 10.1364/ol.8.000063 . PMID 19714136 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  7. ↑ Talukdar, Tahmid H.; Allen, Gabriel D.; Kravchenko, Ivan; Ryckman, Judson D. (2019-08-05). "Interferómetros de guía de onda de silicio poroso monomodo con factores de confinamiento unitarios para detección ultrasensible de capas superficiales adlayer" . Optics Express . 27 (16): 22485– 22498. Bibcode : 2019OExpr..2722485T . doi : 10.1364/OE.27.022485 . ISSN 1094-4087 . OSTI 1546510. PMID 31510540 .   
  8. ↑ M. Hochberg; T. Baehr-Jones; C. Walker; J. Witzens; C. Gunn; A. Scherer (2005). "Guías de onda segmentadas en silicio delgado sobre aislante" (PDF) . Journal of the Optical Society of America B. 22 ( 7): 1493–1497 . Bibcode : 2005JOSAB..22.1493H . doi : 10.1364/JOSAB.22.001493 .
  9. ↑ SY Lin; E. Chow; SG Johnson; JD Joannopoulos (2000). "Demostración de guía de ondas altamente eficiente en una lámina de cristal fotónico a la longitud de onda de 1,5 μm" . Optics Letters . 25 (17): 1297–1299 . Bibcode : 2000OptL...25.1297L . doi : 10.1364/ol.25.001297 . OSTI 754329. PMID 18066198 .  
  10. ↑ Meany, Thomas (2014). "Fabricación óptica: las guías de onda escritas directamente con láser de femtosegundos producen circuitos cuánticos en vidrio" . Laser Focus World . 50 (7).
  11. ↑ Streltsov, AM; Borrelli, NF (1 de enero de 2001). "Fabricación y análisis de un acoplador direccional escrito en vidrio mediante pulsos láser de femtosegundos de nanojulios". Optics Letters . 26 (1): 42–3 . Bibcode : 2001OptL...26...42S . doi : 10.1364/OL.26.000042 . PMID 18033501 . 
  12. ↑ Khrapko, Rostislav; Lai, Changyi; Casey, Julie; Wood, William A.; Borrelli, Nicholas F. (15 de diciembre de 2014). "Autoenfoque acumulado de luz ultravioleta en vidrio de sílice" . Applied Physics Letters . 105 (24): 244110. Bibcode : 2014ApPhL.105x4110K . doi : 10.1063/1.4904098 .
  13. ↑ Liu, Hsuan-Hao; Chang, Hung-Chun (2013). "Modos de polaritones de plasmones de superficie con fugas en una interfaz entre metal y materiales anisotrópicos uniaxiales" . IEEE Photonics Journal . 5 (6): 4800806. Bibcode : 2013IPhoJ...500806L . doi : 10.1109/JPHOT.2013.2288298 .

13. Yao Zhou, Jufan Zhang, Fengzhou Fang. Diseño de una pantalla transparente cercana al ojo con guía de onda geométrica de doble focal. Optics and Laser Technology, 2022, Volumen 156, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108546 .

14. Yao Zhou, Jufan Zhang, Fengzhou Fang. Diseño de una guía de ondas geométrica bidimensional de gran campo de visión. Results in Optics, Volumen 5, 2021, 100147, https://doi.org/10.1016/j.rio.2021.100147 .

  • Guías de onda no lineales AdvR en fosfato de titanilo de potasio dopado con rubidio ( KTP )
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