導波路（光学）

光導波路は、光スペクトル内の電磁波を導く物理的構造です。一般的な光導波路の種類には、光ファイバー導波路、プラスチックとガラスで作られた透明誘電体導波路、液体光導波路などがあります。

光導波路は、光集積回路の構成要素として、あるいは近距離・長距離光通信システムの伝送媒体として用いられます。また、拡張現実（AR）における光学式ヘッドマウントディスプレイにも用いられます。[ 1 ]

光導波路は、形状（平面導波路、ストリップ導波路、またはファイバー導波路）、モード構造（シングルモード、マルチモード）、屈折率分布（ステップまたは勾配屈折率）、および材料（ガラス、ポリマー、半導体）に応じて分類できます。

全反射

光は誘電体界面（a）で屈折し、2つの媒体間の光線が対応関係を確立します（b）。屈折率の高い媒体内の一部の光線はペアリングから外れ（赤）、全反射によって閉じ込められます。c 。このメカニズムは、導波路内で光を閉じ込めるために使用できます。d 。これは、光が屈折率の低いガラスクラッド内の屈折率の高いガラスコアに沿って導かれる光ファイバーの基本原理です。

光導波路の基本原理は、図に示すように、 幾何光学または光線光学の概念を使用して説明できます。

屈折率の高い媒体に入る光は、屈折のプロセスによって法線の方向に曲がります(図a. )。 空気からガラスに入る光を例に挙げてみましょう。同様に、反対方向 (ガラスから空気) に進む光は同じ経路をたどり、法線から離れる方向に曲がります。 これは時間反転対称性の結果です。 図bに示すように、空気中の各光線 (黒) は、ガラス中の光線 (青) にマッピングできます。1対 1 の対応があります。ただし、屈折のために、ガラス内の光線の一部は除外されます (赤)。残りの光線は、全反射と呼ばれるプロセスによってガラス内に閉じ込められます。これらの光線は、臨界角を超える角度でガラスと空気の界面に入射します。これらの余分な光線は、グリーン関数に基づくより高度な定式化におけるより高い状態密度に対応します。

全反射を利用することで、光を誘電体導波路内に閉じ込め、導波することができます（図c）。赤色光線は高屈折率媒質の上面と下面の両方で反射します。スラブが湾曲していたり​​、曲げられていたりしても、ゆっくりと曲げられていれば導波されます。これが光ファイバーの基本原理であり、光は低屈折率ガラスクラッド内の高屈折率ガラスコアに沿って導波されます（図d）。

光線光学は導波管の仕組みを大まかにしか示しません。マクスウェル方程式は、誘電体導波管の全場記述に対して解析的または数値的手法で解くことができます。

誘電体スラブ導波路

誘電体スラブ導波路は、屈折率の異なる 3 つの誘電体層で構成されています。

おそらく最も単純な光導波路は誘電体スラブ導波路[ 2 ]であり、平面導波路[ 3 ]とも呼ばれます。その単純さから、スラブ導波路はおもちゃのモデルとしてよく使用されますが、アレイ導波格子や音響光学フィルタおよび変調器などのオンチップデバイスにも応用されています。

スラブ導波路は、誘電率の異なる3層の材料から構成され、界面に平行な方向に無限に伸びています。中間層の屈折率が周囲の層よりも大きい場合、光は全反射によって中間層に閉じ込められます。

スラブ導波路は本質的に1次元導波路である。誘電体界面に垂直な光のみを捕捉する。導波モードの場合、図の領域 II の電場は伝搬し、平面波として扱うことができる。領域 I と III の電場はスラブから離れるにつれて徐々に減衰する。領域 II の平面波は、通常、スラブ面の波動ベクトルによって指定される角度で、上部界面と下部界面の間を跳ね返る。導波モードは、スラブ内を1往復するごとに建設的に干渉する。各周波数において、1つまたは複数のモードが存在し、バンド図または分散関係を構築するために使用できる一連の固有値を与える。 β→{\displaystyle {\vec {\beta }}}（ω、β→）{\displaystyle (\omega ,{\vec {\beta }})}

導波モードはスラブ内に閉じ込められるため、上部または下部の界面に入射する光によって励起されることはありません。スラブの平面にレンズを配置することで、光をエンドファイア結合またはバット結合させることができます。あるいは、グレーティング結合器やプリズム結合器などの結合素子を用いて光を導波路に結合することもできます。

回折導波路と反射導波路の 2 つの技術があります。

二次元導波路

ストリップ導波管

ストリップ導波路は、基本的にクラッド層の間に閉じ込められた層のストリップです。最も単純なケースは長方形導波路で、これはスラブ導波路の導波層が片側だけでなく両横方向に制限されることによって形成されます。長方形導波路は、光集積回路やレーザーダイオードに使用されます。マッハ・ツェンダー干渉計や波長分割多重装置などの光学部品の基盤として広く使用されています。レーザーダイオードの共振器は、長方形光導波路として構成されることがよくあります。長方形の形状を持つ光導波路は、さまざまな方法で製造されますが、通常は平面プロセスによって製造されます。

矩形導波管内の電界分布は解析的に解くことはできないが、マルカティリ法[ 4 ] 、拡張マルカティリ法[ 5 ]、クマール法[ 6 ]などの近似解法が知られている。

リブ導波管

リブ導波路は、導波層が基本的にスラブで構成され、その上にストリップ（または複数のストリップ）が重ね合わされた導波路です。リブ導波路は2次元的に波を閉じ込める機能も備えており、多層リブ構造ではほぼ1次元的な閉じ込めが可能です。[ 7 ]

セグメント導波路とフォトニック結晶導波路

光導波路は、通常、伝搬方向に沿って一定の断面積を維持します。これは、例えばストリップ導波路やリブ導波路に当てはまります。しかし、導波路は、いわゆるブロッホモードを介して光の無損失伝送を可能にしながら、断面積を周期的に変化させることもできます。このような導波路は、セグメント導波路（伝搬方向に沿って1次元のパターンを持つ[ 8 ]）またはフォトニック結晶導波路（2次元または3次元のパターンを持つ[ 9 ]）と呼ばれます。

レーザー刻印導波路

光導波路は、フォトニクスにおいて最も重要な用途を有しています。導波路を3次元空間に配置することで、チップ上の電子部品と光ファイバーを統合することができます。このような導波路は、通信波長における赤外光のシングルモード伝搬用に設計され、入力点と出力点の間で光信号を非常に低い損失で伝送するように構成されます。

193nmレーザー照射による自己収束効果の蓄積によって、純粋なシリカガラスに形成された光導波路。コリメート照明を用いた透過型顕微鏡で撮影。

このような導波路を構築する方法の 1 つは、透明材料におけるフォトリフラクティブ効果を利用するものです。材料の屈折率の増加は、パルスレーザー光の非線形吸収によって引き起こされる可能性があります。屈折率の増加を最大化するために、非常に短い (通常はフェムト秒) レーザーパルスが使用され、高 NA 顕微鏡対物レンズで集光されます。焦点をバルクの透明材料を通して移動させることで、導波路を直接書き込むことができます。[ 10 ]この方法のバリエーションでは、低 NA 顕微鏡対物レンズを使用し、焦点をビーム軸に沿って移動させます。これにより、集光されたレーザービームとフォトリフラクティブ材料との重なりが改善され、レーザーから必要な電力が削減されます。[ 11 ]透明材料が、フォトリフラクティブ効果を開始するのに十分な明るさ​​の非集束レーザービームにさらされると、累積的な自己収束 の結果として、導波路が自然に形成され始めることがあります。[ 12 ]このような導波路の形成は、レーザービームの分散につながります。露光を続けると、各導波路の中心線に向かって屈折率が増加し、伝播する光のモードフィールド径が縮小します。このような導波路はガラス内に永久的に残り、オフラインで撮影することができます（右の写真を参照）。

ライトパイプ

ライトパイプは、光を短距離導くために使用される固体材料のチューブまたは円筒です。電子機器では、プラスチック製のライトパイプは、回路基板上のLEDからの光をユーザーインターフェースの表面に導くために使用されます。建物では、ライトパイプは建物の外部から必要な場所へ光を導くために使用されます。

光ファイバー導波路

マルチモード光ファイバーを通る光の伝播。

光ファイバーは、典型的には円形断面の誘電体導波管であり、誘電体材料の周囲を屈折率の低い別の誘電体材料が覆っています。光ファイバーは一般的にシリカガラスで作られていますが、特定の用途では他のガラス材料が使用され、短距離用途では プラスチック光ファイバーが使用されることもあります。

参照

参考文献

  1. ^ Xiong, Jianghao; Hsiang, En-Lin; He, Ziqian; Zhan, Tao; Wu, Shin-Tson (2021-10-25). 「拡張現実と仮想現実ディスプレイ：新興技術と将来の展望」 . Light: Science & Applications . 10 (1): 216. Bibcode : 2021LSA....10..216X . doi : 10.1038/ s41377-021-00658-8 . ISSN  2047-7538 . PMC  8546092. PMID  34697292 .
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  3. ^「シリコンフォトニクス」、Graham T. Reed、Andrew P. Knights著
  4. ^ Marcatili, EAJ (1969). 「集積光学用誘電体矩形導波管と方向性結合器」. Bell Syst. Tech. J. 48 ( 7): 2071– 2102. doi : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01166.x .
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