Guía de ondas (óptica)
Estructura física que guía las ondas de luz

Una guía de ondas óptica es una estructura física que guía las ondas electromagnéticas en el espectro óptico . Los tipos más 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 líquidas 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 visores ópticos montados en la cabeza en realidad aumentada . [1]

Las guías de ondas ópticas se pueden clasificar según su geometría (guías de ondas 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 índice más alto quedan fuera del emparejamiento (rojo) y quedan atrapados por la reflexión interna total . c. Este mecanismo se puede utilizar para atrapar la luz en una guía de ondas . d. 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 .

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 la dirección opuesta (del vidrio al aire) toma el mismo camino, desviándose de la normal. Esto es una consecuencia de la simetría de inversión temporal . 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 en el vidrio se dejan fuera (rojo). Los rayos restantes quedan atrapados en el vidrio mediante un proceso llamado reflexión interna total . Inciden en 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 .

Mediante la reflexión interna total, podemos atrapar y guiar la luz en una guía de ondas dieléctrica (Figura c ). Los rayos rojos rebotan en la superficie superior e inferior del medio de alto índice. Son guiados incluso si la placa se curva o se dobla, siempre que se doble lentamente. Este es el principio básico 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 visión aproximada de cómo funcionan las guías de ondas. Las ecuaciones de Maxwell se pueden resolver mediante métodos analíticos o numéricos para obtener una descripción completa del campo de una guía de ondas dieléctrica.

Guía de ondas de placa dieléctrica

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

Quizás la guía de onda óptica más simple es la guía de onda de losa dieléctrica , [2] también llamada guía de onda plana . [3] Debido a su simplicidad, las guías de onda de losa se utilizan a menudo como modelos de juguete, pero también encuentran aplicación en dispositivos en chip como rejillas de guía de onda en matriz y filtros y moduladores acústico-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 está 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 de losa es esencialmente una guía de onda unidimensional. Atrapa la luz solo en dirección normal a las interfaces dieléctricas. Para los modos guiados , el campo en el dominio II en el diagrama se propaga y puede tratarse como una onda plana . El campo en los dominios I y III decae evanescentemente alejándose de la losa. La onda plana en el dominio II rebota entre las interfaces superior e inferior en un ángulo especificado típicamente por el , el vector de onda en el plano de la losa. Los modos guiados interfieren constructivamente en un viaje de ida y vuelta completo en la losa. En cada frecuencia, se pueden encontrar uno o más modos que dan un conjunto de valores propios que se pueden usar para construir un diagrama de banda o una relación de dispersión . β → {\displaystyle {\vec {\beta }}} ( ω , β → ) {\displaystyle (\omega ,{\vec {\beta }})}

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

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

Guía de ondas bidimensional

Guía de ondas de banda

Una guía de onda de banda es básicamente una banda 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 de banda está restringida en ambas direcciones transversales en lugar de solo una. Las guías de onda rectangulares se utilizan en circuitos ópticos integrados y en diodos láser . Se utilizan comúnmente como base de componentes ópticos como interferómetros de Mach-Zehnder y multiplexores por división de longitud de onda . Las cavidades de los diodos láser se construyen con frecuencia como guías de onda ópticas rectangulares. Las guías de onda ópticas con geometría rectangular se producen por diversos medios, generalmente mediante un proceso planar . [ 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 , [4] el método de Marcatili extendido [5] y el método de Kumar, [6] .

Guía de ondas de costilla

Una guía de ondas con costillas es una guía de ondas en la que la capa guía consiste básicamente en una placa con una tira (o varias tiras) superpuestas sobre ella. Las guías de ondas con costillas también proporcionan confinamiento de la onda en dos dimensiones y es posible un confinamiento cercano a la unidad en estructuras con costillas de múltiples capas. [7]

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. Este es, por ejemplo, el caso de las guías de ondas de banda y de nervadura. Sin embargo, las guías de ondas también pueden tener cambios periódicos en su sección transversal, permitiendo al mismo tiempo la transmisión sin pérdidas de luz a través de los llamados modos de Bloch. Estas guías de ondas se denominan guías de ondas segmentadas (con un patrón 1D a lo largo de la dirección de propagación [8] ) o guías de ondas de cristal fotónico (con un patrón 2D o 3D [9] ).

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 los componentes electrónicos de un chip y las fibras ópticas. Dichas guías de ondas pueden diseñarse para una propagación monomodo de luz infrarroja en longitudes de onda de telecomunicaciones y configurarse para entregar señales ópticas entre las ubicaciones de entrada y salida con muy poca pérdida.

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

Uno de los métodos para construir tales 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 (normalmente de femtosegundos) y se enfocan con un objetivo de microscopio de alta NA. Al trasladar el punto focal a través de un material transparente a granel, las guías de onda se pueden escribir directamente. [10] 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 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 de 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 tales guías de onda conduce a una ruptura del haz láser. La exposición continua produce un aumento del índice de refracción hacia la línea central de cada guía de ondas y un colapso del diámetro del campo modal de la luz que se propaga. Estas guías de ondas permanecen permanentemente en el vidrio y pueden fotografiarse sin conexión (ver la imagen de la derecha).

Tubo de luz

Los conductos de luz son tubos o cilindros de material sólido que se utilizan para guiar la luz a una distancia corta. En electrónica, se utilizan conductos de luz de plástico para guiar la luz desde los LED de una placa de circuito hasta la superficie de la interfaz de usuario. En los edificios, los conductos de luz se utilizan para transferir la iluminación desde el exterior del edificio hasta donde se necesita en el interior. [ cita requerida ]

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 ondas dieléctrica de sección transversal circular que consiste en 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 utilizan otros materiales de vidrio para ciertas aplicaciones y la fibra óptica de plástico se puede utilizar para aplicaciones de corta distancia. [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

  1. ^ Xiong, Jianghao; Hsiang, En-Lin; He, Ziqian; Zhan, Tao; Wu, Shin-Tson (25 de octubre de 2021). "Pantallas de realidad aumentada y realidad virtual: tecnologías emergentes y perspectivas futuras". Light: Science & Applications . 10 (1). 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 ondas ópticas de silicio rectangulares". Journal of Lightwave Technology . 30 (14): 2388–2401. arXiv : 1504.02963 . Código Bibliográfico :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. (5 de agosto de 2019). "Interferómetros de guía de onda de silicio poroso monomodo con factores de confinamiento unitario para detección de capas de superficie ultrasensibles". 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) . Revista de la Sociedad Óptica de América B . 22 (7): 1493–1497. Código Bibliográfico :2005JOSAB..22.1493H. doi :10.1364/JOSAB.22.001493.
  9. ^ SY Lin; E. Chow; SG Johnson; JD Joannopoulos (2000). "Demostración de una guía de ondas altamente eficiente en una placa de cristal fotónico en la longitud de onda de 1,5 μm". Optics Letters . 25 (17): 1297–1299. Bibcode :2000OptL...25.1297L. doi :10.1364/ol.25.001297. 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 polaritón de plasmón superficial con fugas en una interfaz entre metal y materiales anisotrópicos uniaxialmente". 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 de visión cercana al ojo con guía de ondas geométrica de doble foco. Óptica y tecnología láser, 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 ondas no lineales AdvR en fosfato de titanilo y potasio dopado con rubidio ( KTP )
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