Ein optischer Wellenleiter ist eine physikalische Struktur, die elektromagnetische Wellen im optischen Spektrum leitet . Zu den gängigen Arten von optischen Wellenleitern gehören optische Faserwellenleiter, transparente dielektrische Wellenleiter aus Kunststoff und Glas, Flüssigkeitslichtleiter und Flüssigkeitswellenleiter.

Optische Wellenleiter werden als Komponenten in integrierten optischen Schaltungen oder als Übertragungsmedium in lokalen und weitreichenden optischen Kommunikationssystemen eingesetzt. Sie können auch in optischen Head-Mounted-Displays in der Augmented Reality verwendet werden . [ 1 ]

Optische Wellenleiter können nach ihrer Geometrie (planare, streifenförmige oder faseroptische Wellenleiter), ihrer Modenstruktur ( Einmoden- , Mehrmodenwellenleiter ), ihrer Brechungsindexverteilung (Stufen- oder Gradientenindex) und ihrem Material ( Glas , Polymer , Halbleiter ) klassifiziert werden.

Totalreflexion

Licht wird an einer dielektrischen Grenzfläche gebrochen ( a) und bildet dabei eine Korrespondenz zwischen den Strahlen in den beiden Medien ( b ). Einige Strahlen im Medium mit dem höheren Brechungsindex werden nicht in die Paarung einbezogen (rot) und durch Totalreflexion eingefangen ( c) . Dieser Mechanismus kann genutzt werden, um Licht in einem Wellenleiter einzufangen (d). Dies ist das Grundprinzip der Glasfaseroptik , bei der Licht entlang eines Kerns aus hochbrechendem Glas in einem Mantel aus Glas mit niedrigerem Brechungsindex geführt wird .

Die grundlegenden Prinzipien optischer Wellenleiter lassen sich mithilfe der Konzepte der geometrischen oder Strahlenoptik beschreiben , wie im Diagramm dargestellt.

Licht, das in ein Medium mit höherem Brechungsindex eintritt , wird durch Brechung zum Lot hin gebrochen (Abbildung a ). Betrachten wir beispielsweise Licht, das von Luft in Glas übergeht. Licht, das sich in umgekehrter Richtung ausbreitet (von Glas in Luft), beschreibt denselben Weg und wird vom Lot weg gebrochen. Dies ist eine Folge der Zeitumkehrsymmetrie . Jeder Strahl in Luft (schwarz) kann einem Strahl im Glas (blau) zugeordnet werden, wie in Abbildung b dargestellt . Es besteht eine Eins-zu-eins-Entsprechung. Aufgrund der Brechung werden jedoch einige Strahlen im Glas ausgelöscht (rot). Die verbleibenden Strahlen werden durch Totalreflexion im Glas gefangen. Sie treffen unter einem Winkel oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion auf die Glas-Luft-Grenzfläche . Diese zusätzlichen Strahlen entsprechen in fortgeschritteneren Formulierungen, die auf der Greenschen Funktion basieren, einer höheren Zustandsdichte .

Durch Totalreflexion lässt sich Licht in einem dielektrischen Wellenleiter einfangen und führen (Abbildung c ). Die roten Strahlen werden sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite des Mediums mit hohem Brechungsindex reflektiert. Sie werden auch dann geführt, wenn sich die Platte krümmt oder biegt, solange die Biegung gering ist. Dies ist das Grundprinzip der Glasfaseroptik, bei der Licht entlang eines Kerns aus hochbrechendem Glas in einem Mantel aus Glas mit niedrigerem Brechungsindex geführt wird (Abbildung d ).

Die Strahlenoptik liefert nur ein grobes Bild der Funktionsweise von Wellenleitern. Die Maxwell-Gleichungen lassen sich mithilfe analytischer oder numerischer Methoden lösen, um ein vollständiges Feld in einem dielektrischen Wellenleiter zu beschreiben.

Dielektrischer Plattenwellenleiter

Ein dielektrischer Plattenwellenleiter besteht aus drei dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes.

Der wohl einfachste optische Wellenleiter ist der dielektrische Plattenwellenleiter [ 2 ] , auch planarer Wellenleiter genannt [ 3 ] . Aufgrund ihrer Einfachheit werden Plattenwellenleiter häufig als Modellsysteme verwendet, finden aber auch Anwendung in On-Chip-Bauelementen wie Wellenleitergittern und akustooptischen Filtern und Modulatoren .

Der Plattenwellenleiter besteht aus drei Materialschichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, die sich in Richtung ihrer Grenzflächen unendlich erstrecken. Licht wird in der mittleren Schicht durch Totalreflexion eingeschlossen, wenn der Brechungsindex der mittleren Schicht größer ist als der der umgebenden Schichten.

Der Plattenwellenleiter ist im Wesentlichen ein eindimensionaler Wellenleiter. Er leitet Licht nur senkrecht zu den dielektrischen Grenzflächen. Bei geführten Moden breitet sich das Feld in Bereich II des Diagramms aus und kann als ebene Welle behandelt werden . Die Felder in den Bereichen I und III klingen mit zunehmender Entfernung von der Platte ab. Die ebene Welle in Bereich II wird zwischen der oberen und unteren Grenzfläche unter einem Winkel reflektiert, der typischerweise durch den Wellenvektor in der Plattenebene bestimmt wird . Geführte Moden interferieren konstruktiv während eines vollständigen Umlaufs in der Platte. Bei jeder Frequenz lassen sich ein oder mehrere Moden finden, die einen Satz von Eigenwerten liefern , mit denen ein Banddiagramm oder eine Dispersionsrelation erstellt werden kann .

Da geführte Moden in der Platte eingeschlossen sind, können sie nicht durch Licht angeregt werden, das auf die obere oder untere Grenzfläche einfällt. Licht kann durch Einkopplung mittels einer Linse in die Plattenebene endseitig oder stumpfseitig gekoppelt werden . Alternativ kann ein Kopplungselement, wie beispielsweise ein Gitterkoppler oder ein Prismenkoppler, verwendet werden, um Licht in den Wellenleiter einzukoppeln.

Es gibt zwei Technologien: diffraktive Wellenleiter und reflektierende Wellenleiter.

Zweidimensionaler Wellenleiter

Streifenwellenleiter

Ein Streifenwellenleiter ist im Prinzip ein Streifen der Schicht, der zwischen Mantelschichten eingeschlossen ist. Der einfachste Fall ist ein Rechteckwellenleiter , der entsteht, wenn die Führungsschicht des Plattenwellenleiters in beiden Querrichtungen anstatt nur in einer eingeschränkt ist. Rechteckwellenleiter werden in integrierten optischen Schaltungen und Laserdioden eingesetzt . Sie dienen häufig als Grundlage für optische Komponenten wie Mach-Zehnder-Interferometer und Wellenlängenmultiplexer . Die Resonatoren von Laserdioden sind oft als rechteckige optische Wellenleiter ausgeführt. Optische Wellenleiter mit rechteckiger Geometrie werden mit verschiedenen Verfahren, üblicherweise durch planare Prozesse , hergestellt .

Die Feldverteilung in einem rechteckigen Wellenleiter kann nicht analytisch gelöst werden, jedoch sind Näherungsverfahren wie die Methode von Marcatili [ 4 ] , die erweiterte Methode von Marcatili [ 5 ] und die Methode von Kumar [ 6 ] bekannt.

Rippenwellenleiter

Ein Rippenwellenleiter ist ein Wellenleiter, dessen Führungsschicht im Wesentlichen aus einer Platte mit einem oder mehreren darüberliegenden Streifen besteht. Rippenwellenleiter ermöglichen zudem die zweidimensionale Wellenführung, und in mehrschichtigen Rippenstrukturen ist eine nahezu vollständige Wellenführung möglich. [ 7 ]

Segmentierter Wellenleiter und photonischer Kristallwellenleiter

Optische Wellenleiter weisen typischerweise einen konstanten Querschnitt entlang ihrer Ausbreitungsrichtung auf. Dies trifft beispielsweise auf Streifen- und Rippenwellenleiter zu. Wellenleiter können jedoch auch periodische Querschnittsänderungen aufweisen und dennoch eine verlustfreie Lichtübertragung über sogenannte Bloch-Moden ermöglichen. Solche Wellenleiter werden als segmentierte Wellenleiter (mit einer 1D-Strukturierung entlang der Ausbreitungsrichtung [ 8 ] ) oder als photonische Kristallwellenleiter (mit einer 2D- oder 3D-Strukturierung [ 9 ] ) bezeichnet.

Laserbeschrifteter Wellenleiter

Optische Wellenleiter finden ihre wichtigste Anwendung in der Photonik . Durch die Anordnung der Wellenleiter im dreidimensionalen Raum lassen sich elektronische Komponenten auf einem Chip mit optischen Fasern integrieren. Solche Wellenleiter können für die Einmodenausbreitung von Infrarotlicht bei Telekommunikationswellenlängen ausgelegt und so konfiguriert werden, dass sie optische Signale mit sehr geringen Verlusten zwischen Eingangs- und Ausgangsposition übertragen.

Optische Wellenleiter, die in reinem Quarzglas durch einen akkumulierten Selbstfokussierungseffekt bei Bestrahlung mit einem 193-nm-Laser entstanden sind. Abbildung mittels Transmissionsmikroskopie mit kollimierter Beleuchtung.

Eine Methode zur Herstellung solcher Wellenleiter nutzt den photorefraktiven Effekt in transparenten Materialien. Durch nichtlineare Absorption von gepulstem Laserlicht kann der Brechungsindex eines Materials erhöht werden. Um die Brechungsindexerhöhung zu maximieren, werden sehr kurze (typischerweise Femtosekunden-)Laserpulse verwendet und mit einem Mikroskopobjektiv hoher numerischer Apertur (NA) fokussiert. Durch Verschieben des Brennflecks durch ein transparentes Material lassen sich die Wellenleiter direkt erzeugen. [ 10 ] Eine Variante dieser Methode verwendet ein Mikroskopobjektiv niedriger NA und verschiebt den Brennfleck entlang der Strahlachse. Dies verbessert die Überlappung zwischen dem fokussierten Laserstrahl und dem photorefraktiven Material und reduziert somit die benötigte Laserleistung. [ 11 ] Wird ein transparentes Material einem ungebündelten Laserstrahl mit ausreichender Intensität ausgesetzt, um den photorefraktiven Effekt auszulösen, können sich die Wellenleiter aufgrund akkumulierter Selbstfokussierung spontan bilden . [ 12 ] Die Bildung solcher Wellenleiter führt zu einer Aufspaltung des Laserstrahls. Bei fortgesetzter Belichtung erhöht sich der Brechungsindex zur Mittellinie jedes Wellenleiters hin, und der Modenfelddurchmesser des sich ausbreitenden Lichts verringert sich. Solche Wellenleiter bleiben dauerhaft im Glas erhalten und können offline fotografiert werden (siehe Abbildung rechts).

Lichtleiter

Lichtleiter sind Röhren oder Zylinder aus festem Material, die Licht über kurze Strecken leiten. In der Elektronik werden Kunststoff-Lichtleiter verwendet, um Licht von LEDs auf einer Leiterplatte zur Benutzeroberfläche zu führen. In Gebäuden dienen Lichtleiter dazu, Beleuchtung von außen in das Gebäudeinnere zu transportieren.

Optischer Faserwellenleiter

Die Ausbreitung von Licht durch eine Multimode-Lichtleitfaser.

Optische Fasern sind typischerweise dielektrische Wellenleiter mit kreisförmigem Querschnitt, bestehend aus einem dielektrischen Material, das von einem weiteren dielektrischen Material mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist . Optische Fasern werden am häufigsten aus Quarzglas hergestellt ; für bestimmte Anwendungen werden jedoch auch andere Glasmaterialien verwendet, und für Anwendungen über kurze Distanzen können Kunststofffasern eingesetzt werden.

Siehe auch

Referenzen

  1. Xiong , Jianghao; Hsiang, En-Lin; He, Ziqian; Zhan, Tao; Wu, Shin-Tson (25.10.2021). „Augmented Reality und Virtual Reality: Neue Technologien und Zukunftsperspektiven“ . 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 und Theodore van Duzer, Fields and Waves in Communications Electronics , 2. Aufl., John Wiley and Sons, New York, 1984.
  3. ^ „Siliziumphotonik“ von Graham T. Reed und Andrew P. Knights
  4. ^ Marcatili, EAJ (1969). „Dielektrischer Rechteckwellenleiter und Richtkoppler für die integrierte Optik“. 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 und Yousefi, M (2012). „Erweiterung des analytischen Ansatzes von Marcatili für rechteckige optische Siliziumwellenleiter“. 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 Wartung: Mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  6. ^ Kumar, A., K. Thyagarajan und A. K. Ghatak. (1983). „Analyse von dielektrischen Wellenleitern mit rechteckigem Kern – Ein genauer Störungsansatz“. Opt. Lett . 8 (1): 63–65 . Bibcode : 1983OptL....8...63K . doi : 10.1364/ol.8.000063 . PMID 19714136 . {{cite journal}}: CS1 Wartung: Mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  7. ^ Talukdar, Tahmid H.; Allen, Gabriel D.; Kravchenko, Ivan; Ryckman, Judson D. (05.08.2019). „Einmodige poröse Silizium-Wellenleiterinterferometer mit Einschlussfaktoren von 1 für die hochempfindliche Detektion von Oberflächenadsorptionsschichten“ . 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). „Segmentierte Wellenleiter in dünnem Silizium auf Isolator“ (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). „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 . OSTI 754329. PMID 18066198 .  
  10. ^ Meany, Thomas (2014). „Optische Fertigung: Femtosekundenlaser-direktgeschriebene Wellenleiter erzeugen Quantenschaltungen in Glas“ . Laser Focus World . 50 (7).
  11. ^ Streltsov, AM; Borrelli, NF (1. Januar 2001). „Herstellung und Analyse eines Richtkopplers, der mittels Femtosekunden-Laserpulsen im Nanojoule-Bereich in Glas erzeugt wurde“. Optics Letters . 26 (1): 42–43 . 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. Dezember 2014). „Akkumulierte Selbstfokussierung von ultraviolettem Licht in Quarzglas“ . Applied Physics Letters . 105 (24): 244110. Bibcode : 2014ApPhL.105x4110K . doi : 10.1063/1.4904098 .
  13. ^ 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 .

13. Yao Zhou, Jufan Zhang, Fengzhou Fang. Design eines dualfokalen geometrischen Wellenleiter-Nahfeld-Durchsichtdisplays. Optics and Laser Technology, 2022, Band 156, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108546 .

14. Yao Zhou, Jufan Zhang, Fengzhou Fang. Design eines zweidimensionalen geometrischen Wellenleiters mit großem Sichtfeld. Results in Optics, Band 5, 2021, 100147, https://doi.org/10.1016/j.rio.2021.100147 .