도파관(광학)

Waveguide (optics)

광학 도파관은 광학 스펙트럼에서 전자기파를 유도하는 물리적 구조물이다. 광학 도파제의 일반적인 종류로는 광섬유와 플라스틱과 유리로 만들어진 투명한 유전 도파제가 있다.

광학 도파관은 집적 광학 회로의 구성요소 또는 국지 및 장거리 광통신 시스템의 전송 매체로 사용된다.

광학 도파관은 기하학(평면, 스트립 또는 섬유 도파관), 모드 구조(단일 모드, 멀티 모드), 굴절률 분포(단계 또는 구배율), 재료(유리, 폴리머, 반도체)에 따라 분류할 수 있다.

유전 슬래브 도파관

유전 슬래브 도파관은 서로 다른 굴절 지수를 갖는 세 개의 유전 층으로 구성된다.

실용적인 직사각형 지오메트리 광학 도파관은 평면 도파관이라고도 불리는 [1]이론적 유전체 슬래브 도파관의 변형으로서 가장 쉽게 이해된다.[2] 슬래브 도파관은 서로 다른 유전 상수를 가진 재료의 세 겹으로 구성되며, 이들의 인터페이스에 평행한 방향으로 무한히 확장된다.

빛은 전체 내부 반사에 의해 중간 층에 갇힐 수 있다. 이는 중간층의 유전체 지수가 주변 층보다 큰 경우에만 발생한다. 실제로 슬래브 도파관은 인터페이스와 평행한 방향으로 무한하지 않지만, 인터페이스의 일반적인 크기가 도면층의 깊이보다 훨씬 큰 경우 슬래브 도파관 모델은 훌륭한 근사치가 될 것이다. 슬래브 도파관의 유도 모드는 상단 또는 하단 인터페이스에서 발생하는 빛에 의해 흥분될 수 없다. 빛은 측면으로부터 중간층으로 렌즈를 주입해야 한다. 또는 그링 커플러 또는 프리즘 커플러와 같은 도파관 안으로 빛을 결합하기 위해 연결 요소를 사용할 수 있다.

유도 모드의 한 모델은 광의 전파 방향과 재료 인터페이스에 대한 정상 또는 수직 방향 사이의 입사각에서 중간층의 두 인터페이스 사이에 앞뒤로 반사되는 평면 파형의 모델이다. 임계 각도는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있는 물질의 굴절 지수에 따라 달라진다. 그러한 전파는 반사된 평면파가 파괴적으로 자신을 방해하지 않는 개별적인 각도의 집합에서만 유도 모드를 야기할 것이다.

이 구조는 전자파를 한 방향으로만 한정하고 있어 실용성이 거의 없다. 그러나 슬래브 도파관처럼 근사하게 추정될 수 있는 구조물은 다른 기기의 부수적인 구조로 발생하는 경우가 있다.

증강현실 안경에 사용되는 도파관은 확산 도파관과 반사 도파관의 2가지 기술이 있다.

2차원 도파관

참고 항목: 평면 전송 라인 § 이미지라인

도파관 분리

스트립 도파관은 기본적으로 피복층 사이에 있는 층의 스트립이다. 가장 간단한 경우는 직사각형 도파관으로서, 슬래브 도파관의 안내 층이 하나의 방향만이 아닌 양쪽 횡방향으로 제한될 때 형성된다. 직사각형 도파관은 통합된 광학 회로와 레이저 다이오드에 사용된다. 그것들은 일반적으로 마하-젠더 간섭계 및 파장 분할 멀티플렉서와 같은 광학 구성요소의 기초로 사용된다. 레이저 다이오드의 캐비티는 직사각형 광학 도파체로 자주 구성된다. 직사각형 형상을 가진 광학 도파관은 다양한 수단으로, 보통 평면 공정에 의해 생산된다.[citation needed]

직사각형 도파관의 필드 분포는 분석적으로 해결할 수 없지만 마르카틸리의 방법,[3] 확장 마르카틸리의 방법[4], 쿠마르의 방법 등 대략적인 해결 방법이 알려져 있다.[5]

늑골 도파관

늑골 도파관은 기본적으로 안내 층이 그 위에 겹친 스트립(또는 여러 스트립)이 있는 슬래브로 구성되는 도파관이다. 늑골 도파관도 파동을 2차원으로 구속할 수 있으며 다층 늑골 구조에서는 근일성 구속이 가능하다. [6]

분할된 도파관 및 광결정 도파관

광학 도파관은 일반적으로 전파 방향을 따라 일정한 단면을 유지한다. 이것은 예를 들어 스트립과 늑골 도파제의 경우다. 그러나 도파관 또한 소위 Bloch 모드를 통한 무손실 빛의 전송을 허용하면서 단면에 주기적인 변화를 일으킬 수 있다. 그러한 도파관을 분할 도파관(전파[7] 방향을 따라 1D 도파관을 사용함) 또는 광결정 도파관(2D 또는 3D[8] 도파관을 사용함)이라고 한다.

레이저로 절제한 도파관

광학 도파관은 광학에서 가장 중요한 응용을 찾는다. 3D 공간에서 도파관을 구성하면 칩의 전자 부품과 광섬유의 통합이 가능하다. 그러한 도파관은 통신 파장에서 적외선의 단일 모드 전파를 위해 설계될 수 있으며, 매우 낮은 손실로 입력 및 출력 위치 간에 광 신호를 전달하도록 구성된다.

193nm 레이저 조사로 누적된 자기초점 효과의 결과로 순수 실리카 유리에 형성된 광학적 도파관. 시준된 조명이 있는 전송 현미경을 사용한 사진.

그러한 도파관을 구성하는 방법 중 하나는 투명한 재료에 광촉매 효과를 이용한다. 물질의 굴절률 증가는 펄스 레이저 광의 비선형 흡수에 의해 유도될 수 있다. 굴절률 증가를 극대화하기 위해 매우 짧은(일반적으로 펨토초) 레이저 펄스를 사용하며 높은 NA 현미경 목표에 초점을 맞춘다. 부피가 큰 투명 재료를 통해 초점을 번역함으로써 도파관을 직접 작성할 수 있다.[9] 이 방법의 변화는 낮은 NA 현미경 목표를 사용하고 빔 축을 따라 초점을 변환한다. 이를 통해 초점 레이저 빔과 광촉매 물질의 중첩이 개선되어 레이저에서 필요한 전력이 감소한다.[10]

투명 소재가 광촉매 효과를 시작하기에 충분한 밝기의 집중되지 않은 레이저 빔에 노출되면 누적된 자기 집중의 결과로 도파관이 저절로 형성되기 시작할 수 있다.[11] 그런 도파관이 형성되면 레이저 빔이 파열된다. 지속적인 노출은 각 도파관 중심선을 향한 굴절률의 축적을 초래하며, 전파광의 모드장 직경이 붕괴된다. 이러한 도파관은 유리에 영구히 남아 오프라인으로 촬영할 수 있다(오른쪽 사진 참조).

라이트 파이프

주요기사 : 경관

라이트 파이프는 빛을 단거리에서 유도하는 데 사용되는 고체 재료의 튜브나 실린더다. 전자장치에서 플라스틱 조명 파이프는 회로 기판의 LED에서 사용자 인터페이스 표면으로 빛을 유도하는 데 사용된다. 건물에서는 조명 파이프를 사용하여 건물 외부에서 실내에 필요한 위치로 조명을 전달한다.[citation needed]

광섬유

멀티 모드 광섬유를 통한 빛의 전파.
주요 기사: 광섬유

광섬유는 일반적으로 굴절률이 낮은 또 다른 유전체로 둘러싸인 유전체로 구성된 원형 단면 유전체 도파관이다. 광섬유는 실리카 유리로 만드는 것이 가장 일반적이지만, 다른 유리 재료는 특정 용도에, 플라스틱 광섬유는 단거리 용도에 사용할 수 있다.[citation needed]

참고 항목

참조

  1. ^ 라모, 사이먼, 존 R Whinnery, 그리고 Communications Electronics의 필드 앤 웨이브, 1984년 뉴욕 주, John Wiley and Sons.
  2. ^ 그레이엄 T의 "실리콘 포토닉스" 리드, 앤드루 P. 나이츠
  3. ^ Marcatili, E. A. J. (1969). "Dielectric rectangular waveguide and directional coupler for integrated optics". Bell Syst. Tech. J. 48 (7): 2071–2102. doi:10.1002/j.1538-7305.1969.tb01166.x.
  4. ^ Westerveld, W. J., Leinders, S. M., van Dongen, K. W. A., Urbach, H. P. and Yousefi, M (2012). "Extension of Marcatili's Analytical Approach for Rectangular Silicon Optical Waveguides". Journal of Lightwave Technology. 30 (14): 2388–2401. arXiv:1504.02963. Bibcode:2012JLwT...30.2388W. doi:10.1109/JLT.2012.2199464.CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  5. ^ Kumar, A., K. Thyagarajan and A. K. Ghatak. (1983). "Analysis of rectangular-core dielectric waveguides—An accurate perturbation approach". Opt. Lett. 8 (1): 63–65. Bibcode:1983OptL....8...63K. doi:10.1364/ol.8.000063. PMID 19714136.CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  6. ^ Talukdar, Tahmid H.; Allen, Gabriel D.; Kravchenko, Ivan; Ryckman, Judson D. (2019-08-05). "Single-mode porous silicon waveguide interferometers with unity confinement factors for ultra-sensitive surface adlayer sensing". Optics Express. 27 (16): 22485–22498. doi:10.1364/OE.27.022485. ISSN 1094-4087. OSTI 1546510. PMID 31510540.
  7. ^ M. Hochberg; T. Baehr-Jones; C. Walker; J. Witzens; C. Gunn; A. Scherer (2005). "Segmented Waveguides in Thin Silicon-on-Insulator" (PDF). Journal of the Optical Society of America B. 22 (7): 1493–1497. Bibcode:2005JOSAB..22.1493H. doi:10.1364/JOSAB.22.001493.
  8. ^ S. Y. Lin; E. Chow; S. G. Johnson; J. D. Joannopoulos (2000). "Demonstration of highly efficient waveguiding in a photonic crystal slab at the 1.5-μm wavelength". Optics Letters. 25 (17): 1297–1299. Bibcode:2000OptL...25.1297L. doi:10.1364/ol.25.001297. PMID 18066198.
  9. ^ Meany, Thomas (2014). "Optical Manufacturing: Femtosecond-laser direct-written waveguides produce quantum circuits in glass". Laser Focus World. 50 (7).
  10. ^ Streltsov, AM; Borrelli, NF (1 January 2001). "Fabrication and analysis of a directional coupler written in glass by nanojoule femtosecond laser pulses". Optics Letters. 26 (1): 42–3. Bibcode:2001OptL...26...42S. doi:10.1364/OL.26.000042. PMID 18033501.
  11. ^ Khrapko, Rostislav; Lai, Changyi; Casey, Julie; Wood, William A.; Borrelli, Nicholas F. (15 December 2014). "Accumulated self-focusing of ultraviolet light in silica glass". Applied Physics Letters. 105 (24): 244110. Bibcode:2014ApPhL.105x4110K. doi:10.1063/1.4904098.
  12. ^ Liu, Hsuan-Hao; Chang, Hung-Chun (2013). "Leaky Surface Plasmon Polariton Modes at an Interface Between Metal and Uniaxially Anisotropic Materials". IEEE Photonics Journal. 5 (6): 4800806. Bibcode:2013IPhoJ...500806L. doi:10.1109/JPHOT.2013.2288298.

외부 링크