導波管（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できた透明誘電体導波路、液体光ガイド、液体導波路などがあります。

光導波路は、集積光回路の部品として、または近距離および長距離光通信システムの伝送媒体として使用されます。また、拡張現実の光学式ヘッドマウントディスプレイにも使用できます。^[1]

光導波路は、形状（平面、ストリップ、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。

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に向かって曲がります(図a. )。たとえば、空気からガラスに入る光を考えてみましょう。同様に、反対方向 (ガラスから空気) に進む光も同じ経路をたどり、法線から離れて曲がります。これは、時間反転対称性の結果です。空気中の各光線 (黒) は、図bに示すように、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、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。それらは、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。

全反射を利用すると、誘電体導波管内に光を閉じ込めて誘導することができます(図c )。赤色光線は高屈折率媒体の上部と下部の両方の表面で反射します。スラブが曲がったり曲がったりしても、ゆっくり曲がる限り誘導されます。これが光ファイバーの基本原理で、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誘導されます(図d )。

光線光学は導波管がどのように動作するかを大まかにしか示しません。マクスウェル方程式は、誘電体導波管の全フィールド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。

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、アレイ導波路格​​子や音響光学フィルタや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 つの材料層で構成され、その界面に平行な方向に無限に伸びています。中間層の 屈折率が周囲の層の屈折率よりも大きい場合、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 次元の導波路です。誘電体界面に垂直な光のみを捕捉します。導波モードの場合、図のドメイン II のフィールドは伝播し、平面波として扱うことができます。ドメイン I と III のフィールドは、スラブから離れるにつれて徐々に減衰します。ドメイン II の平面波は、通常、スラブの平面内の波動ベクトルによって指定される角度で上部と下部のインターフェイス間を跳ね返ります。導波モードは、スラブ内の 1 回の完全な往復で建設的に干渉します。各周波数で、1 つ以上のモードが見つかり、バンド図または分散関係の作成に使用できる一連の固有値が得られます。 ${\displaystyle {\vec {\beta }}}$${\displaystyle (\omega ,{\vec {\beta }})}$

導波モードはスラブ内に閉じ込められるため、上部または下部のインターフェースに入射する光によって励起されることはありません。光をレンズでスラブの平面に注入することで、エンドファイアまたはバット結合することができます。あるいは、格子結合器やプリズム結合器などの結合要素を使用し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。

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ガイド層が片方向だけでなく両横方向に制限されているときに形成されます。長方形導波路は、光集積回路やレーザーダイオードで使用されます。これらは、マッハツェンダ干渉計や波長分割マルチプレクサなどの光学部品の基礎としてよく使用されます。レーザーダイオードのキャビティは、長方形の光導波路として構築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。^[要出典]

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管です。リブ導波管は2次元での波の閉じ込めも提供し、多層リブ構造ではほぼ1の閉じ込めが可能です。^[7]

光導波路は、通常、伝播方向に沿って一定の断面積を維持します。これは、たとえばストリップ導波路やリブ導波路の場合です。ただし、導波路は、いわゆるブロッホモードを介して光の損失のない伝送を可能にしながら、断面積が周期的に変化することもあります。このような導波路は、セグメント導波路（伝播方向に沿った1Dパターン^[8]）またはフォトニック結晶導波路（2Dまたは3Dパターン^[9]）と呼ばれます。

光導波路は、フォトニクスにおいて最も重要な用途があります。3D 空間で導波路を構成すると、チップ上の電子部品と光ファイバーを統合できます。このような導波路は、通信波長での赤外線の単一モード伝搬用に設計され、入力場所と出力場所の間で非常に低い損失で光信号を伝送するように構成されます。

このような導波路を構築する方法の 1 つは、透明材料における光屈折効果を利用することです。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焦点が合わせられます。バルクの透明材料を介して焦点を移動させることにより、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、ビーム軸に沿って焦点を移動させます。これにより、焦点を合わせたレーザービームと光屈折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、光屈折効果を開始するのに十分な明るさ​​の焦点のないレーザービームにさらされると、蓄積された自己収束の結果として、導波路が自然に形成され始める場合があります。^[12]このような導波路の形成は、レーザービームの分裂につながります。露光を続けると、各導波管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 フィールド直径が縮小します。このような導波管はガラス内に永久に残り、オフラインで撮影できます (右の写真を参照)。

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 インターフェイス サーフェス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内部の必要な場所に照明を転送するために使用されます。^{[引用が必要]}

光ファイバーは、通常、屈折率の低い別の誘電体材料に囲まれた誘電体材料で構成される円形断面の誘電体導波管です。光ファイバーは、最も一般的には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があります。 ^{[引用が必要]}

• ARROW導波管
• カットオフ波長
• 誘電率
• デジタル平面ホログラフィー
• 電磁放射
• 平衡モード分布
• エルビウム添加導波管増幅器
• リーキーモード^[13]
• ライトガイドディスプレイ
• フォトニック結晶
• フォトニック結晶ファイバー
• プリズムカップラー
• 伝送媒体
• 導波管（無線周波数）
• 導波管
• ゼロモード導波管

13. Yao Zhou、Jufan Zhang、Fengzhou Fang。デュアル焦点幾何学導波路ニアアイシースルーディスプレイの設計。光学およびレーザー技術、2022年、第156巻、https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108546。

14. Yao Zhou、Jufan Zhang、Fengzhou Fang。広い視野を持つ2次元幾何学的導波路の設計。Results in Optics、第5巻、2021年、100147、https://doi.org/10.1016/j.rio.2021.100147。

• ルビジウム添加リン酸チタン酸カリウム（KTP）のAdvR非線形導波路