वेवगाइड (ऑप्टिक्स)

एक प्रकाशीय वेवगाइड एक भौतिक संरचना है जो प्रकाशीय स्पेक्ट्रम में विद्युत चुम्बकीय तरंगों का मार्गदर्शन करती है। सामान्य प्रकार के प्रकाशीय वेवगाइड्स में प्रकाशित तंतु वेवगाइड्स, प्लास्टिक और काँच  से बने पारदर्शी ढांकता हुआ वेवगाइड, लिक्विड लाइट गाइड्स और लिक्विड वेवगाइड्स सम्मिलित हैं।

प्रकाशीय वेवगाइड्स का उपयोग एकीकृत प्रकाशीय परिपथ में घटकों के रूप में या स्थानीय और लंबी दूरी के प्रकाशीय संचार प्रणालियों में संचरण माध्यम के रूप में किया जाता है।

प्रकाशीय वेवगाइड्स को उनकी ज्यामिति (प्लानर, स्ट्रिप, या फाइबर वेवगाइड्स), मोड संरचना(सिंगल-मोड प्रकाशीय फाइबर|सिंगल-मोड, मल्टी-मोड प्रकाशीय फाइबर|मल्टी-मोड), अपवर्तक सूचकांक  डिस्ट्रीब्यूशन (स्टेप या ग्रेडिएंट) के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है। सूचकांक), और सामग्री (कांच, बहुलक, अर्धचालक)।

कुल आंतरिक प्रतिबिंब
प्रकाशीय वेवगाइड्स के पीछे के मूल सिद्धांतों को ज्यामितीय प्रकाशिकी की अवधारणाओं का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।

उच्च अपवर्तनांक वाले माध्यम में जाने वाला प्रकाश अपवर्तन की प्रक्रिया द्वारा सामान्य की ओर झुक जाता है (चित्र a.)। उदाहरण के लिए, हवा से कांच में गुजरने वाले प्रकाश को लें। इसी तरह, विपरीत दिशा में यात्रा करने वाला प्रकाश (कांच से हवा में) समान पथ लेता है, सामान्य से दूर झुकता है। यह T-समरूपता|समय-उलट समरूपता का परिणाम है। हवा में प्रत्येक किरण (काली) को कांच (नीला) में एक किरण से मैप किया जा सकता है, जैसा कि चित्र बी में दिखाया गया है। एक-से-एक पत्राचार है। किंतु अपवर्तन के कारण कांच में कुछ किरणें छूट जाती हैं (लाल)। शेष किरणें कांच में 'पूर्ण आंतरिक परावर्तन' नामक प्रक्रिया द्वारा फंस जाती हैं। वे 'महत्वपूर्ण कोण (प्रकाशिकी)ऑप्टिक्स)' के ऊपर के कोण पर ग्लास-एयर इंटरफेस पर आपतित होते हैं। ये अतिरिक्त किरणें ग्रीन के कार्य (कई-निकाय सिद्धांत) | ग्रीन के कार्य के आधार पर अधिक उन्नत योगों में उच्च स्तरों  के घनत्व के अनुरूप हैं।

पूर्ण आंतरिक परावर्तन का उपयोग करके, हम प्रकाश को डाइइलेक्ट्रिक वेवगाइड में ट्रैप और गाइड कर सकते हैं (चित्र c)। उच्च सूचकांक माध्यम की ऊपरी और निचली दोनों सतहों से लाल किरणें उछलती हैं। जब तक स्लैब धीरे-धीरे झुकता है, तब तक वे निर्देशित होते हैं, भले ही स्लैब घटता या झुकता हो। प्रकाशीय फाइबर के पीछे यह मूल सिद्धांत है जिसमें प्रकाश को एक उच्च सूची ग्लास कोर के साथ एक निचले सूची ग्लास क्लैडिंग (चित्र डी) में निर्देशित किया जाता है।

रे ऑप्टिक्स केवल एक मोटा चित्र देता है कि वेवगाइड्स कैसे काम करते हैं। मैक्सवेल के समीकरणों को ढांकता हुआ वेवगाइड के पूर्ण-क्षेत्र विवरण के लिए विश्लेषणात्मक या संख्यात्मक विधियों से हल किया जा सकता है।

डाइलेक्ट्रिक स्लैब वेवगाइड
शायद सबसे सरल प्रकाशीय वेवगाइड ढांकता हुआ स्लैब वेवगाइड है, इसे प्लानर वेवगाइड भी कहा जाता है। उनकी सादगी के कारण, स्लैब वेवगाइड्स को अक्सर खिलौना मॉडल के रूप में उपयोग किया जाता है, किंतु ऑन-चिप उपकरणों में भी उपयोग किया जाता है, जैसे कि सरणी वाले वेवगाइड झंझरी और ध्वनिक-ऑप्टिक न्यूनाधिक|एकॉस्टो-ऑप्टिक फिल्टर और मॉड्यूलेटर।

स्लैब वेवगाइड में विभिन्न ढांकता हुआ स्थिरांक वाली सामग्रियों की तीन परतें होती हैं, जो उनके इंटरफेस के समानांतर दिशाओं में असीम रूप से फैली हुई हैं। मध्य परत का अपवर्तक सूचकांक आसपास की परतों की तुलना में बड़ा होने पर पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब द्वारा मध्य परत में प्रकाश सीमित होता है।

स्लैब वेवगाइड अनिवार्य रूप से एक आयामी वेवगाइड है। यह ढांकता हुआ इंटरफेस के लिए केवल सामान्य प्रकाश को फँसाता है। निर्देशित खुद की विधा के लिए, आरेख में डोमेन II में क्षेत्र प्रचार कर रहा है और इसे विमान तरंग के रूप में माना जा सकता है। डोमेन I और III क्षणभंगुर क्षेत्र में क्षेत्र स्लैब से दूर हो जाता है। डोमेन II में समतल तरंग ऊपर और नीचे के इंटरफेस के बीच विशिष्ट रूप से निर्दिष्ट कुछ कोण पर उछलती है $$\vec{\beta}$$, स्लैब के विमान में तरंग वेक्टर। निर्देशित मोड स्लैब में एक पूर्ण राउंडट्रिप पर रचनात्मक रूप से हस्तक्षेप करते हैं। प्रत्येक आवृत्ति पर, एक या एक से अधिक मोड आइगेनवैल्यू का एक समूह देते हुए पाए जा सकते हैं $$(\omega, \vec{\beta})$$ जिसका उपयोग बैंड आरेख या फैलाव संबंध बनाने के लिए किया जा सकता है।

क्योंकि निर्देशित मोड स्लैब में फंसे हुए हैं, वे ऊपर या नीचे के इंटरफेस पर प्रकाश की घटना से उत्साहित नहीं हो सकते। स्लैब के प्लेन में लेंस के साथ इंजेक्ट करके लाइट को एंड-फायर या बट कपल किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से एक युग्मन तत्व का उपयोग वेवगाइड में युगल प्रकाश के लिए किया जा सकता है, जैसे कि झंझरी युग्मक या प्रिज्म युग्मक।

वेवगाइड का उपयोग संवर्धित वास्तविकता चश्मे में किया जाता है। 2 प्रौद्योगिकियां हैं: विवर्तनिक वेवगाइड्स और रिफ्लेक्टिव वेवगाइड्स।

स्ट्रिप वेवगाइड
एक स्ट्रिप वेवगाइड मूल रूप से क्लैडिंग परतों के बीच सीमित परत की एक पट्टी होती है। सबसे सरल स्थितिया एक आयताकार वेवगाइड है, जो तब बनता है जब स्लैब वेवगाइड की मार्गदर्शक परत केवल एक के बजाय दोनों अनुप्रस्थ दिशाओं में प्रतिबंधित होती है। आयताकार वेवगाइड्स का उपयोग एकीकृत प्रकाशीय परिपथ और लेज़र डायोड में किया जाता है। वे सामान्यतः मैक-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर और तरंग दैर्ध्य-विभाजन बहुसंकेतन जैसे प्रकाशीय घटकों के आधार के रूप में उपयोग किए जाते हैं। लेजर डायोड की प्रकाशीय गुहा अक्सर आयताकार प्रकाशीय वेवगाइड्स के रूप में निर्मित होती है। आयताकार ज्यामिति के साथ प्रकाशीय वेवगाइड्स विभिन्न विधियों से निर्मित होते हैं, सामान्यतः एक प्लानर प्रक्रिया द्वारा।

एक आयताकार वेवगाइड में क्षेत्र वितरण को विश्लेषणात्मक रूप से हल नहीं किया जा सकता है, हालाँकि अनुमानित समाधान विधियाँ, जैसे कि मार्काटिली की विधि, मार्काटिली की विधि या उच्च-सूचकांक-विपरीत का विस्तार|विस्तारित मार्काटिली की विधि और कुमार की विधि, ज्ञात हैं।

रिब वेवगाइड
एक रिब वेवगाइड एक वेवगाइड होता है जिसमें मार्गदर्शक परत मूल रूप से उस पर एक पट्टी (या कई स्ट्रिप्स) के साथ स्लैब होती है। रिब वेवगाइड्स भी दो आयामों में तरंग का परिसीमन प्रदान करते हैं और बहु-परत रिब संरचनाओं में निकट-एकता कारावास संभव है।

खंडित वेवगाइड और फोटोनिक क्रिस्टल वेवगाइड
प्रकाशीय वेवगाइड सामान्यतः प्रसार की अपनी दिशा के साथ एक निरंतर क्रॉस-सेक्शन बनाए रखते हैं। यह उदाहरण के लिए स्ट्रिप और रिब वेवगाइड्स का स्थितिया है। चूंकि, तथाकथित बलोच मोड के माध्यम से प्रकाश के दोषरहित संचरण की अनुमति देते हुए वेवगाइड्स के क्रॉस-सेक्शन में आवधिक परिवर्तन भी हो सकते हैं। इस तरह के वेवगाइड्स को खंडित वेवगाइड्स के रूप में संदर्भित किया जाता है (प्रचार की दिशा के साथ 1डी पैटर्निंग के साथ) ) या फोटोनिक क्रिस्टल वेवगाइड्स के रूप में (2डी या 3डी पैटर्निंग के साथ ).

लेजर-खुदा वेवगाइड
प्रकाशीय वेवगाइड फोटोनिक्स में अपना सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोग पाते हैं। 3डी स्पेस में वेवगाइड्स को कॉन्फ़िगर करना एक चिप और प्रकाशीय फाइबर पर इलेक्ट्रॉनिक घटकों के बीच एकीकरण प्रदान करता है। इस तरह के वेवगाइड्स को दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर अवरक्त प्रकाश के एकल मोड प्रसार के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, और बहुत कम नुकसान के साथ इनपुट और आउटपुट स्थानों के बीच प्रकाशीय सिग्नल देने के लिए कॉन्फ़िगर किया गया है।

इस तरह के वेवगाइड्स के निर्माण के विधियों में से एक पारदर्शी सामग्री में फोटोरिफ़्रेक्टिव प्रभाव का उपयोग करता है। सामग्री के अपवर्तक सूचकांक में वृद्धि स्पंदित लेजर प्रकाश के अरैखिक अवशोषण द्वारा प्रेरित हो सकती है। अपवर्तक सूचकांक की वृद्धि को अधिकतम करने के लिए, एक बहुत ही कम (सामान्यतः फेमटोसेकंड) लेजर दालों का उपयोग किया जाता है, और एक उच्च एनए माइक्रोस्कोप उद्देश्य के साथ ध्यान केंद्रित किया जाता है। बल्क पारदर्शी सामग्री के माध्यम से फोकल स्पॉट का अनुवाद करके वेवगाइड्स को सीधे लिखा जा सकता है। इस पद्धति का एक रूपांतर कम एनए माइक्रोस्कोप उद्देश्य का उपयोग करता है और बीम अक्ष के साथ फोकल स्पॉट का अनुवाद करता है। यह केंद्रित लेजर बीम और फोटोरिफ्रेक्टिव सामग्री के बीच ओवरलैप में सुधार करता है, इस प्रकार लेजर से आवश्यक शक्ति को कम करता है। जब पारदर्शी सामग्री को फोटोरिफ्रेक्टिव प्रभाव प्रारंभ करने के लिए पर्याप्त चमक के एक अनफोकस्ड लेजर बीम के संपर्क में लाया जाता है, तो संचित आत्म ध्यान केंद्रित के परिणामस्वरूप वेवगाइड अपने आप बनना प्रारंभ  हो सकते हैं। ऐसे वेवगाइड्स के बनने से लेजर बीम टूट जाता है। निरंतर एक्सपोजर के परिणामस्वरूप प्रत्येक वेवगाइड की केंद्र रेखा की ओर अपवर्तक सूचकांक का निर्माण होता है, और प्रसार प्रकाश के मोड क्षेत्र व्यास का पतन होता है। ऐसे वेवगाइड ग्लास में स्थायी रूप से रहते हैं और ऑफ-लाइन फोटो खींचे जा सकते हैं (दाईं ओर चित्र देखें)।

लाइट पाइप
प्रकाश पाइप ठोस सामग्री के ट्यूब या सिलेंडर होते हैं जिनका उपयोग प्रकाश को थोड़ी दूरी तक निर्देशित करने के लिए किया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक्स में, प्लास्टिक लाइट पाइप का उपयोग परिपथ बोर्ड पर एलईडी से उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस सतह पर प्रकाश का मार्गदर्शन करने के लिए किया जाता है। इमारतों में, प्रकाश पाइपों का उपयोग इमारत के बाहर से रोशनी को स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है जहां इसकी आवश्यकता होती है।

प्रकाशीय फाइबर वेवगाइड


प्रकाशीय फाइबर सामान्यतः एक गोलाकार क्रॉस-सेक्शन ढांकता हुआ वेवगाइड होता है जिसमें कम अपवर्तक सूचकांक के साथ एक अन्य ढांकता हुआ सामग्री से घिरा एक ढांकता हुआ पदार्थ होता है। प्रकाशीय फाइबर सामान्यतः सिलिका ग्लास से बनाए जाते हैं, चूंकि अन्य ग्लास सामग्री का उपयोग कुछ अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है और प्लास्टिक प्रकाशीय फाइबर का उपयोग कम दूरी के अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है।

यह भी देखें

 * एरो वेवगाइड
 * कटऑफ तरंग दैर्ध्य
 * पारद्युतिक स्थिरांक
 * डिजिटल प्लानर होलोग्राफी
 * विद्युत चुम्बकीय विकिरण
 * संतुलन मोड वितरण
 * एर्बियम-डोप्ड वेवगाइड एम्पलीफायर
 * लीकी मोड
 * लाइटगाइड डिस्प्ले
 * फोटोनिक क्रिस्टल
 * फोटोनिक-क्रिस्टल फाइबर
 * प्रिज्म युग्मक
 * संचरण माध्यम
 * वेवगाइड (रेडियो फ्रीक्वेंसी)
 * वेवगाइड
 * शून्य-मोड वेवगाइड

संदर्भ
13. 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. 14. 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.

बाहरी संबंध

 * AdvR nonlinear waveguides in rubidium-doped [[potassium titanyl phosphate] (KTP)]

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