광도파로

광도파로(optical waveguide)는 광 스펙트럼에서 전자기파를 유도하는 물리적 구조이다. 일반적인 광 도파관의 종류로는 광섬유 도파관, 플라스틱과 유리로 만들어진 투명한 유전체 도파관, 액체 광 도파관, 액체 도파관 등이 있다.

광도파로는 집적 광학 회로의 구성 요소로 사용되거나, 근거리 및 장거리 광 통신 시스템의 전송 매체로 사용된다. 또한 증강 현실의 광학 헤드 마운트 디스플레이에도 사용될 수 있다.

광도파로는 기하학적 구조(평면, 스트립 또는 광섬유 도파관), 모드 구조(단일 모드, 다중 모드), 굴절률 분포(계단형 또는 기울기형 지수), 재료(유리, 중합체, 반도체)에 따라 분류할 수 있다.

전반사
섬네일|유전체 계면에서 빛이 굴절되어 a, 두 매질의 광선 사이에 대응 관계를 설정한다. b. 더 높은 지수 매질의 일부 광선은 쌍에서 제외(빨간색)되고 전반사에 의해 갇히게 된다. c. 이 메커니즘을 사용하여 도파관에 빛을 가둘 수 있다. d. 이것은 광섬유의 기본 원리로, 빛은 더 낮은 지수 유리 클래딩에 있는 더 높은 지수 유리 코어를 따라 유도된다.

광도파관의 기본 원리는 그림에 설명된 대로 기하광학 또는 광선 광학의 개념을 사용하여 설명할 수 있다.

더 높은 굴절률을 가진 매질로 들어가는 빛은 굴절 과정에 의해 법선 쪽으로 휘어진다(그림 a). 예를 들어, 공기에서 유리로 들어가는 빛을 생각해보자. 마찬가지로, 반대 방향으로 이동하는 빛(유리에서 공기로)은 동일한 경로를 따라 법선에서 멀어지며 휘어진다. 이것은 시간 역전 대칭의 결과이다. 공기 중의 각 광선(검은색)은 그림 b에 표시된 대로 유리 속의 광선(파란색)으로 매핑될 수 있다. 일대일 대응이다. 그러나 굴절 때문에 유리 속의 일부 광선(빨간색)은 제외된다. 나머지 광선은 전반사라는 과정에 의해 유리에 갇힌다. 이들은 임계각 이상의 각도로 유리-공기 경계면에 입사한다. 이 추가 광선은 그린 함수를 기반으로 하는 더 고급 공식화에서 더 높은 상태 밀도에 해당한다.

전반사를 사용하여 빛은 유전체 도파관에 갇히고 유도될 수 있다(그림 c). 빨간색 광선은 높은 지수 매질의 위쪽과 아래쪽 표면 모두에서 반사된다. 슬래브가 휘거나 구부러지더라도 천천히 구부러지는 한 유도된다. 이것은 광섬유의 기본 원리로, 빛은 더 낮은 지수 유리 클래딩에 있는 더 높은 지수 유리 코어를 따라 유도된다(그림 d).

광선 광학은 도파관이 작동하는 방식에 대한 대략적인 그림만 제공한다. 맥스웰 방정식은 유전체 도파관의 전체 필드 설명을 위해 분석적 또는 수치적 방법으로 해결될 수 있다.

유전체 슬래브 도파관

섬네일|right|400px|유전체 슬래브 도파관은 서로 다른 굴절률을 가진 세 개의 유전체 층으로 구성된다.
아마도 가장 간단한 광 도파관은 유전체 슬래브 도파관Ramo, Simon, John R. Whinnery, and Theodore van Duzer, Fields and Waves in Communications Electronics, 2 ed., John Wiley and Sons, New York, 1984.이며, 평면 도파관이라고도 불린다."Silicon Photonics", by Graham T. Reed, Andrew P. Knights 단순성 때문에 슬래브 도파관은 종종 장난감 모델로 사용되지만, 어레이 도파관 격자 및 음향광학 필터 및 변조기와 같은 온칩 장치에도 응용된다.

슬래브 도파관은 서로 다른 유전율을 가진 세 개의 재료 층으로 구성되며, 그들의 계면에 평행한 방향으로 무한히 확장된다. 중간 층의 굴절률이 주변 층보다 크면 전반사에 의해 빛이 중간 층에 갇히게 된다.

슬래브 도파관은 기본적으로 1차원 도파관이다. 유전체 계면에 수직인 빛만 가둔다. 유도 모드의 경우, 다이어그램의 영역 II에서의 필드는 전파되고 평면파로 처리될 수 있다. 영역 I과 III에서의 필드는 슬래브에서 멀어지면서 감쇠한다. 영역 II의 평면파는 일반적으로 슬래브 평면의 파수 벡터인 로 지정되는 특정 각도로 위쪽 및 아래쪽 계면 사이에서 반사된다. 유도 모드는 슬래브 내에서 한 번의 완전한 왕복 이동에서 건설적으로 간섭한다. 각 주파수에서 하나 이상의 모드를 찾을 수 있으며, 이는 띠 구조 또는 분산 관계를 구성하는 데 사용될 수 있는 고유값  집합을 제공한다.

유도 모드는 슬래브에 갇혀 있기 때문에 위쪽 또는 아래쪽 계면에 입사하는 빛에 의해 여기될 수 없다. 빛은 슬래브 평면에 렌즈를 주입하여 종단 발사 또는 버트 결합될 수 있다. 또는 격자 커플러 또는 프리즘 커플러와 같은 커플링 요소를 사용하여 빛을 도파관으로 결합할 수 있다.

회절 도파관과 반사 도파관의 두 가지 기술이 있다.

2차원 도파관

스트립 도파관
스트립 도파관은 기본적으로 클래딩 층 사이에 갇힌 층의 스트립이다. 가장 간단한 경우는 직사각형 도파관으로, 슬래브 도파관의 유도 층이 한 방향이 아니라 두 횡방향 모두에서 제한될 때 형성된다. 직사각형 도파관은 집적 광학 회로 및 반도체 레이저에 사용된다. 이들은 마흐-젠더 간섭계 및 파장 분할 다중과 같은 광학 구성 요소의 기본으로 일반적으로 사용된다. 반도체 레이저의 광공진기는 종종 직사각형 광도파관으로 구성된다. 직사각형 기하학적 구조를 가진 광도파관은 다양한 수단, 주로 평면 공정에 의해 생산된다.

직사각형 도파관의 필드 분포는 해석적으로 해결할 수 없지만, 마르카틸리의 방법, 확장 마르카틸리의 방법 및 쿠마르의 방법과 같은 근사 해법이 알려져 있다.

리브 도파관
리브 도파관은 슬래브에 스트립(또는 여러 스트립)이 중첩되어 유도 층을 기본적으로 구성하는 도파관이다. 리브 도파관은 또한 파동을 2차원에서 가두고, 다층 리브 구조에서는 거의 일치하는 가둠이 가능하다.

분절형 도파관 및 광결정 도파관
광도파관은 일반적으로 전파 방향을 따라 일정한 단면을 유지한다. 이것은 예를 들어 스트립 및 리브 도파관의 경우이다. 그러나 도파관은 단면이 주기적으로 변할 수 있지만, 소위 블로흐 모드를 통해 손실 없는 빛의 전송을 여전히 허용한다. 이러한 도파관은 분절형 도파관(전파 방향을 따라 1차원 패턴화) 또는 광결정 도파관(2차원 또는 3차원 패턴화)으로 불린다.

레이저 각인 도파관
광도파관은 광자학에서 가장 중요한 응용 분야를 찾는다. 3D 공간에서 도파관을 구성하면 칩의 전자 부품과 광섬유 간의 통합이 가능하다. 이러한 도파관은 통신 파장에서 적외선 빛의 단일 모드 전파를 위해 설계될 수 있으며, 입력 및 출력 위치 사이에 매우 낮은 손실로 광학 신호를 전달하도록 구성될 수 있다.

섬네일|250px|193 nm 레이저 조사로 인한 축적된 자체 초점 효과로 인해 순수 실리카 유리 내부에 형성된 광도파관. 콜리메이트된 조명으로 투과 현미경을 사용하여 촬영.
이러한 도파관을 구성하는 방법 중 하나는 투명 재료의 광굴절 효과를 활용하는 것이다. 펄스 레이저 빛의 비선형 흡수에 의해 재료의 굴절률 증가가 유도될 수 있다. 굴절률 증가를 최대화하기 위해 매우 짧은(일반적으로 펨토초) 레이저 펄스가 사용되며, 높은 NA 현미경 대물렌즈로 초점을 맞춘다. 벌크 투명 재료를 통해 초점 스팟을 이동시킴으로써 도파관을 직접 작성할 수 있다. 이 방법의 변형은 낮은 NA 현미경 대물렌즈를 사용하고 초점 스팟을 빔 축을 따라 이동시킨다. 이는 초점 레이저 빔과 광굴절 재료 사이의 중첩을 개선하여 레이저에서 필요한 전력을 줄인다.
투명 재료가 광굴절 효과를 시작하기에 충분한 밝기의 초점이 맞춰지지 않은 레이저 빔에 노출되면, 축적된 자체 초점의 결과로 도파관이 스스로 형성되기 시작할 수 있다. 이러한 도파관의 형성은 레이저 빔의 파괴로 이어진다. 계속된 노출은 각 도파관의 중심선을 향한 굴절률의 축적과 전파하는 빛의 모드 필드 직경의 붕괴를 초래한다. 이러한 도파관은 유리 내부에 영구적으로 남아 있으며 오프라인으로 사진을 찍을 수 있다(오른쪽 그림 참조).

라이트 파이프

라이트 파이프는 빛을 짧은 거리로 유도하는 데 사용되는 단단한 재료의 튜브 또는 실린더이다. 전자 제품에서는 플라스틱 라이트 파이프가 회로 기판의 LED에서 사용자 인터페이스 표면으로 빛을 유도하는 데 사용된다. 건물에서는 라이트 파이프가 건물 외부에서 필요한 내부로 조명을 전달하는 데 사용된다.

광섬유 도파관
섬네일|right|다중 모드 광섬유를 통한 빛의 전파.

광섬유는 일반적으로 더 낮은 굴절률을 가진 다른 유전체 재료로 둘러싸인 유전체 재료로 구성된 원형 단면 도파관이다. 광섬유는 주로 실리카 유리로 만들어지지만, 특정 응용 분야에는 다른 유리 재료가 사용되며, 단거리 응용 분야에는 플라스틱 광섬유가 사용될 수 있다.

 같이 보기 
 ARROW 도파관
 차단 파장
 유전율
 디지털 평면 홀로그래피
 전자기파
 평형 모드 분포
 에르븀 도핑 도파관 증폭기
 누설 모드
 라이트가이드 디스플레이
 광결정
 광결정 광섬유
 프리즘 커플러
 매질
 도파관 (전자기학)
 도파관
 제로 모드 도파관

 각주 

 Yao Zhou, Jufan Zhang, Fengzhou Fang. Design of a dual-focal geometrical waveguide near-eye see-through display. Optics and Laser Technology, 2022, Volume 156, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108546.
 Yao Zhou, Jufan Zhang, Fengzhou Fang. Design of a large field-of-view two-dimensional geometrical waveguide. Results in Optics, Volume 5, 2021, 100147, https://doi.org/10.1016/j.rio.2021.100147.

 외부 링크 
 루비듐 도핑 티탄산 칼륨(KTP)의 AdvR 비선형 도파관

분류:광자학
분류:광학 부품