Оптический волновод — это структура, обеспечивающая направленную передачу света за счёт ограничения распространения электромагнитных волн в одном или нескольких измерениях. Физически волновод представляет собой область с более высоким показателем преломления, окружённую средой с меньшим показателем преломления. За счёт явления полного внутреннего отражения свет удерживается внутри этой области, распространяясь вдоль волновода.
Для тонких плёнок и поверхностных слоёв оптические волноводы часто реализуются в виде слоистых структур с различными показателями преломления, что позволяет создавать плоские волноводы с контролируемой модовой структурой.
Плоские волноводы Представляют собой тонкие слои с показателем преломления n1, окружаемые слоями с меньшим показателем n2 (n1 > n2). Свет ограничивается в направлении толщины слоя, но распространяется свободно в плоскости.
Волноводы с круглым сечением (оптические волокна) Представляют собой цилиндрические сердцевины с высоким n1, окружённые оболочкой с более низким n2. Такие волноводы широко применяются в телекоммуникациях.
Стрип- и риббон-волноводы Слой с большим показателем преломления, дополнительно ограниченный в плоскости толщины и ширины, что позволяет ограничить свет в двух измерениях.
Распространение электромагнитных волн в волноводах описывается уравнениями Максвелла. При решении задачи для однородного плоского волновода получают спектр мод — устойчивых решений, соответствующих определённым значениям поперечных волновых чисел.
Основное уравнение для распределения электрического поля вдоль поперечного направления x (для плоского волновода) можно записать как уравнение Шрёдингера с потенциальным барьером:
$$ \frac{d^2 E}{dx^2} + k_0^2 n^2(x) E = \beta^2 E, $$
где:
Решение уравнения для плоского волновода даёт набор мод, каждая из которых характеризуется собственным продольным волновым числом βm и распределением поля Em(x).
Условие существования моды:
n2k0 < βm < n1k0,
где n1 — показатель слоя, а n2 — показатель окружающей среды.
Количество мод зависит от толщины плёнки и разности показателей преломления. При уменьшении толщины или уменьшении контраста показателей количество поддерживаемых мод сокращается, вплоть до одно модового режима.
Погонные потери Потери энергии света вдоль волновода связаны с поглощением материала, рассеянием и несовершенствами интерфейсов. В тонких плёнках важна адгезия и качество поверхности, так как они существенно влияют на рассеяние.
Дисперсия Зависимость скорости распространения мод от длины волны приводит к дисперсии, влияющей на форму импульсов при передаче сигналов. Контроль дисперсии особенно важен в телекоммуникациях и при проектировании лазерных устройств.
Поля в окрестности поверхности В тонких плёнках возможен сильный наклонный выход поля за границы волновода, формируя так называемое эванесцентное поле. Это свойство используют в датчиках и устройствах на основе поверхностного плазмона.
В зависимости от назначения и требований к волноводу применяются различные технологии:
Осаждение тонких плёнок (химическое осаждение из паровой фазы, реактивное магнетронное распыление, эпитаксиальное выращивание) для создания плоских волноводов.
Микро- и нанофабрикация для формирования волноводов с заданной геометрией и размером.
Используемые материалы: диоксид кремния (SiO₂), кремний (Si), нитрид кремния (Si₃N₄), полимеры, а также материалы с высоким нелинейным откликом для специализированных устройств.
Оптические датчики Волноводы с чувствительными поверхностными слоями позволяют регистрировать изменения параметров среды (например, индекс преломления, наличие биомолекул).
Лазерные резонаторы и усилители Тонкоплёночные волноводы служат средой распространения и усиления света в интегрированных оптических схемах.
Оптическая связь и интеграция Волноводы обеспечивают передачу сигналов на микро- и наноразмерах, интегрируются с электронными и фотонными компонентами.
Плазмонные волноводы Особый класс волноводов, в которых используется взаимодействие света с поверхностными плазмонами на границе металл–диэлектрик, обеспечивая сверхкомпактное ограничение поля.
Неидеальности интерфейсов Неровности и дефекты вызывают рассеяние и потери, существенно уменьшая качество передачи света.
Адсорбция и химическая реакция на поверхности Могут менять оптические свойства слоя и, соответственно, параметры волновода.
Толщина и однородность плёнки Влияют на модовый состав и устойчивость распространения. В тонких плёнках колебания толщины на атомном уровне могут привести к сильным вариациям характеристик.
Для описания распространения волн и расчёта мод широко применяются:
Метод разделения переменных и аналитические решения для простых профилей n(x).
Численные методы: метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод лучей, метод переменных сеток.
Моделирование распространения с учётом нелинейных эффектов и потерь.
Оптическая изоляция и кроссток В интегрированных схемах необходимо учитывать влияние соседних волноводов и минимизировать нежелательные взаимодействия.
Тепловое и механическое воздействие Волноводы должны сохранять стабильные характеристики при изменении температуры и воздействии внешних механических сил.
Интеграция с электроникой Современные подходы требуют создания гибридных систем, где оптические волноводы взаимодействуют с электрическими компонентами на микроуровне.
Оптические волноводы в физике поверхности и тонких плёнок — ключевой элемент современного фотонного оборудования, от телекоммуникаций до сенсорных систем и квантовых технологий. Понимание физических принципов, технологических нюансов и методов анализа позволяет эффективно разрабатывать и оптимизировать волноводные структуры под конкретные задачи.