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 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 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. También se pueden utilizar en pantallas ópticas montadas en la cabeza en realidad aumentada.
Las guías de ondas ópticas se pueden clasificar según su geometría (guía de ondas plana, de tira o de fibra), estructura de modo (monomodo, multimodo), distribución del índice de refracción (índice de gradiente o paso) y material (vidrio, polímero). , semiconductor).
Reflexión interna total
Los principios básicos detrás de las guías de ondas 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 más alto 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 dirección opuesta (del vidrio al aire) toma el mismo camino, alejándose de la normal. Esto es una consecuencia de la simetría de inversión del tiempo. Cada rayo en el aire (negro) se puede asignar 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 del vidrio quedan fuera (rojo). Los rayos restantes quedan atrapados en el vidrio mediante un proceso llamado reflexión interna total. Inciden sobre la interfaz vidrio-aire en 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.
Utilizando la reflexión interna total, podemos atrapar y guiar la luz en una guía de ondas dieléctrica (Figura c). Los rayos rojos rebotan tanto en la superficie superior como en la inferior del medio de alto índice. Se guían incluso si la losa se curva o dobla, siempre que se doble lentamente. Este es el principio básico detrás de la fibra óptica en el que la luz se guía a lo largo de un núcleo de vidrio de alto índice en un revestimiento de vidrio de índice más bajo (Figura d) .
La óptica de rayos sólo ofrece una imagen aproximada de cómo funcionan las guías de ondas. Las ecuaciones de Maxwell se pueden resolver mediante métodos analíticos o numéricos para obtener una descripción de campo completo de una guía de ondas dieléctrica.
Guía de onda de losa dieléctrica
Quizás la guía de ondas óptica más simple es la guía de ondas de placa dieléctrica, también llamada guía de ondas plana. 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 guías de ondas dispuestas y filtros y moduladores acústicos-ópticos.
La guía de ondas en placa consta de tres capas de materiales con diferentes constantes dieléctricas, que se extienden infinitamente en direcciones paralelas a sus interfaces. La luz queda confinada en la capa intermedia por reflexión interna total si el índice de refracción de la capa intermedia es mayor que el de las capas circundantes.
La guía de onda es esencialmente una guía de onda unidimensional. Captura la luz sólo normal a las interfaces dieléctricas. Para los modos guiados, el campo en el dominio II en el diagrama se propaga y se puede tratar como una onda plana. El campo en los dominios I y III se descompone evanescentemente de la losa. La onda de plano en el dominio II rebota entre las interfaces superior e inferior en algún ángulo especificado típicamente por el , el vector de onda en el plano de la losa. Modos guiados interfieren constructivamente en una ida y vuelta completa en la losa. En cada frecuencia, se puede encontrar uno o más modos dando un conjunto de eigenvalues que se puede utilizar para construir un diagrama de banda o relación de dispersión.
Debido a que los modos guiados están atrapados en la losa, no pueden ser excitados por la luz que incide en las interfaces superior o inferior. La luz puede acoplarse al final del fuego o a tope inyectándola con una lente en el plano de la losa. Alternativamente, se puede utilizar un elemento de acoplamiento para acoplar luz en la guía de ondas, tal como un acoplador de rejilla o un acoplador de prisma.
Existen 2 tecnologías: guías de ondas difractivas y guías de ondas reflectantes.
Guía de ondas bidimensional
Guía de ondas de tira
Una guía de ondas de tira es básicamente una tira 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 guía de la guía de ondas en forma de placa 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 suelen estar construidas como guías de ondas ópticas rectangulares. Las guías de ondas ópticas con geometría rectangular se producen mediante diversos métodos, normalmente mediante un proceso plano.
La distribución de campo en una guía de ondas rectangular no se puede resolver analíticamente; sin embargo, se conocen métodos de solución aproximada, como el método de Marcatili, el método de Marcatili extendido y el método de Kumar.
Guía de onda de costilla
Una guía de ondas de costillas es una guía de ondas en la que la capa guía consiste básicamente en una losa con una tira (o varias tiras) superpuesta a ella. Las guías de ondas de nervaduras también proporcionan confinamiento de la onda en dos dimensiones y un confinamiento casi unitario es posible en estructuras de nervaduras de múltiples capas.
Guía de ondas segmentada y guía de ondas de cristal fotónico
Las guías de ondas ópticas suelen mantener una sección transversal constante a lo largo de su dirección de propagación. Éste es, por ejemplo, el caso de guías de ondas de tiras y de nervaduras. Sin embargo, las guías de ondas también pueden sufrir cambios periódicos en su sección transversal y, al mismo tiempo, permitir una transmisión de luz sin pérdidas mediante 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) o guías de ondas de cristal fotónico (con un patrón 2D o 3D).
Guía de ondas grabada 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 componentes electrónicos en un chip y fibras ópticas. Dichas guías de ondas pueden diseñarse para una propagación de modo único de luz infrarroja en longitudes de onda de telecomunicaciones y configurarse para entregar señales ópticas entre ubicaciones de entrada y salida con pérdidas muy bajas.
Uno de los métodos para construir tales guías de ondas utiliza el efecto fotorrefractivo en materiales transparentes. Se puede inducir un aumento en el índice de refracción de un material mediante la absorción no lineal de luz láser pulsada. Para maximizar el aumento del índice de refracción, se utilizan pulsos láser muy cortos (normalmente femtosegundos) y se enfocan con un objetivo de microscopio de NA alta. Al trasladar el punto focal a través de un material transparente en masa, se pueden escribir directamente las guías de ondas. Una variación de este método utiliza un objetivo de microscopio de NA baja 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. Cuando se expone un material transparente a un rayo láser desenfocado de brillo suficiente para iniciar el efecto fotorrefractivo, las guías de ondas pueden comenzar a formarse por sí solas como resultado de un autoenfoque acumulado. La formación de tales guías de ondas provoca una rotura del rayo láser. La exposición continua da como resultado una acumulación del índice de refracción hacia la línea central de cada guía de onda y el colapso del diámetro del campo modal de la luz que se propaga. Estas guías de ondas permanecen permanentemente en el cristal y pueden fotografiarse fuera de línea (ver imagen de la derecha).
Tubo 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 al interior donde se necesita.
Guía de ondas de fibra óptica
La fibra óptica suele ser 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 suelen estar hechas de vidrio de sílice; sin embargo, se utilizan otros materiales de vidrio para determinadas aplicaciones y la fibra óptica de plástico se puede utilizar para aplicaciones de corta distancia.