Falowód ARROW - ARROW waveguide

W optyce , nierezonująca odzwierciedla optyczny falowód ( strzałka ) jest falowodem, który wykorzystuje zasadę zakłóceń cienkowarstwowej kierować światło o małych stratach. Tworzy go antyrezonansowy odbłyśnik Fabry-Pérot . Tryb optyczny jest nieszczelny, ale propagację o stosunkowo niewielkich stratach można uzyskać, wykonując odbłyśnik Fabry-Pérot o dostatecznie wysokiej jakości lub niewielkich rozmiarach.

Zasady działania

Typowy system ARROW z solidnym rdzeniem. Podczas łączenia źródła światła z rdzeniem ARROW, wiązki światła, które są załamywane w warstwach okładziny, zakłócają się destrukcyjnie, tworząc przeciwrezonans. Skutkuje to brakiem przenikania przez warstwy okładziny. Uwięzienie światła na górnej powierzchni rdzenia prowadzącego jest zapewnione przez całkowite wewnętrzne odbicie od powietrza.

ARROW działa na zasadzie interferencji cienkowarstwowej . Powstaje poprzez uformowanie wnęki Fabry-Perot w kierunku poprzecznym z warstwami okładzin, które działają jak etalony Fabry-Perot . Etalon Fabry-Perot jest w rezonansie, gdy światło w warstwie konstruktywnie interferuje ze sobą, powodując wysoką transmisję. Antyrezonans występuje, gdy światło w warstwie destrukcyjnie interferuje ze sobą, powodując brak transmisji przez etalon.

Współczynniki załamania światła rdzenia prowadzącego (n _c ) i warstw okładziny (n _j , n _i ) są ważne i są starannie dobrane. W celu antyrezonansowy zdarzyć, n _c potrzeby do mniejszej niż n _j . W typowym systemie ARROW z litym rdzeniem, jak pokazano na rysunku, falowód składa się z rdzenia prowadzącego o niskim współczynniku załamania światła, ograniczonego na górnej powierzchni przez powietrze, a na dolnej powierzchni przez antyrezonansowe warstwy okładziny o wyższym współczynniku załamania. Uwięzienie światła na górnej powierzchni rdzenia prowadzącego jest zapewnione przez całkowite wewnętrzne odbicie od powietrza, podczas gdy ograniczenie na dolnej powierzchni jest zapewnione przez interferencję wytwarzaną przez antyrezonansowe warstwy okładzinowe.

Grubość warstwy okładziny antyrezonansowej (t _j ) ARROW również musi być starannie dobrana, aby uzyskać efekt przeciwrezonansowy. Można to obliczyć według następującego wzoru:

${\ Displaystyle t_ {j} = {\ lambda \ ponad 4n_ {j}} (2N-1) [1- {n_ {c} ^ {2} \ ponad n_ {j} ^ {2}} + {\ lambda ^ {2} \ ponad 4n_ {j} ^ {2} t_ {c} ^ {2}}] ^ {- 1/2}, N = 1,2,3, ...}$

${\ displaystyle t_ {j}}$ = grubość antyrezonansowej warstwy okładziny

${\ displaystyle t_ {c}}$ = grubość prowadzącej warstwy rdzeniowej

${\ displaystyle \ lambda}$ = długość fali

${\ displaystyle n_ {j}}$ = współczynnik załamania światła przeciwrezonansowej warstwy okładziny

${\ displaystyle n_ {c}}$ = współczynnik załamania światła prowadzącej warstwy rdzeniowej

podczas ${\ Displaystyle n_ {j}> n_ {c}> n_ {powietrze}}$

Rozważania

ARROW mogą być realizowane jako falowody cylindryczne (uwięzienie 2D) lub falowody płytowe (uwięzienie 1D). Te ostatnie ARROW są praktycznie utworzone przez warstwę o niskim współczynniku, osadzoną pomiędzy warstwami o wyższym współczynniku. Zwróć uwagę, że współczynniki załamania światła tych STRZAŁEK są odwrócone w porównaniu do zwykłych światłowodów. Światło jest ograniczone przez całkowite wewnętrzne odbicie (TIR) ​​po wewnętrznej stronie warstw o ​​wyższym współczynniku, ale w dużym stopniu pokrywa się modalnie z objętością środkową o niższym współczynniku.

To silne zachodzenie na siebie można uczynić wiarygodnym na uproszczonym obrazie wyobrażającym „promienie”, jak w optyce geometrycznej . Takie promienie załamują się pod bardzo małym kątem przy wejściu do warstwy wewnętrznej o niskim współczynniku załamania. Można więc użyć metafory, że promienie te „pozostają bardzo długo wewnątrz” warstwy wewnętrznej o niskim współczynniku. Zauważ, że to tylko metafora, a wyjaśniająca moc optyki promienistej jest bardzo ograniczona dla skali mikrometrycznej, w której te STRZAŁY są zwykle tworzone.

Aplikacje

ARROW są często używane do naprowadzania światła w cieczach, szczególnie w systemach analitycznych laboratorium fotonicznego (PhLoC). Konwencjonalne falowody opierają się na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia, które może wystąpić tylko wtedy, gdy współczynnik załamania materiału rdzenia prowadzącego jest większy niż współczynniki załamania jego otoczenia. Jednak materiały użyte do wykonania rdzenia prowadzącego to zazwyczaj materiały polimerowe i na bazie krzemu, które mają wyższe współczynniki załamania światła (n = 1,4-3,5) niż woda (n = 1,33). W rezultacie konwencjonalny falowód z pustym rdzeniem nie działa już po napełnieniu roztworem wody, co czyni PhLoC bezużytecznymi. Z drugiej strony ARROW może być wypełniony cieczą, ponieważ całkowicie ogranicza światło przez interferencję, co wymaga, aby współczynnik załamania rdzenia prowadzącego był niższy niż współczynnik załamania otaczających materiałów. W ten sposób ARROW stają się idealnym budulcem dla PhLoC.

Chociaż ARROW mają dużą przewagę nad konwencjonalnymi falowodami do budowy PhLoC, nie są doskonałe. Głównym problemem ARROW jest niepożądana utrata światła. Strata światła w ARROW zmniejsza stosunek sygnału do szumu PhLoC. Aby rozwiązać ten problem, zaprojektowano i przetestowano różne wersje ARROW.

Zobacz też

• Falowód (optyka)
• Światłowód z kryształu fotonicznego

Linki zewnętrzne

• ARROW Waveguide Kalkulator grubości warstwy

Bibliografia