موجبرهای کانالی
دسته‌ای از هدایت‌کننده‌های موج، موجبرهای کانالی (یا موجبرهای نواری) نام دارند. این هدایت‌کننده‌ها به‌شکل یک کانال در امتداد سطح برخی از محیط‌های میزبان جامد، مانند یک عایق یا یک نیمه‌هادی، قرار می‌گیرند. موجبرهای کانالی برخلاف موجبرهای مسطح(دو وجهی)[1]، نه تنها در یک بعد، بلکه در دو بعد، نور را هدایت می‌کنند. موجبرهای کانالی مانند فیبر نوری معمولاً سفت هستند، یعنی نمی‌توانند خم شوند. با این حال، آن‌ها لزوماً صاف و افقی نیستند، می‌توانند به شکل منحنی باشند.
برخی از موجبرهای کانالی مستقیماً در سطح وسیله قرار دارند، بنابراین هدایت نور، تحت‌تأثیر اختلاف زیاد ضریب شکست بین ماده موجبر و هوا قرار می‌گیرد. معایب احتمالی ناشی از عدم تقارن مدهای موجبر و حساسیت زیاد به بی نظمی‌های سطح می‌تواند باعث تلفات انتشار بیشتری در اثر پراکندگی نور شود. بنابراین، موجبرهای مدفون یا موجبرهای جاسازی شده که با پوشاندن شان با یک ماده اضافی ایجاد می‌شوند، اغلب دارای ضریب شکست مشابهی با لایه زیرین هستند.
موجبرهای کانالی(مانند فیبرهای تک مدی[2]) اغلب به گونه‌ای طراحی شد‌ه‌اند که فقط از یک مد هدایت شونده در طول موج مورد نظرپشتیبانی می‌کنند.
روش‌های ساخت
موجبرهای کانالی از مواد مختلفی ساخته می‌شوند و روش‌های ساخت آن‌ها بسته به مواد مورد استفاده بسیار متفاوت است.
موجبرها در نیمه‌هادی‌ها
در مورد نیمه‌هادی‌ها، به‌طورکلی از روش‌های اپیتاکسیال در ترکیب با ماسک برای تولید ساختار موجبرها استفاده می‌شود؛ به‌عنوان مثال، انواع مختلف دایود لیزرها و تقویت‌کننده‌های اپتیکی نیمه‌هادی (SOA). معمولاً موجبرها گشودگی عددی[3] نسبتاً بالایی دارند. غالباً، آن‌ها برای تزریق جریان الکتریکی به ناحیه فعال یک لیزر دایود یا یک تقویت‌کننده، با یک الکترود پوشانده می‌شوند.
موجبرها در مواد دی‌الکتریک
موجبرهای کانالی را می‌توان در مواد مختلف دی‌الکتریک (عایق) ، به شکل بلوری و آمورف ساخت. به‌عنوان مثال، در مواد آمورفی مانند سیلیس و در مواد بلوری غیرخطی[4] مانند لیتیوم نیوبات و لیتیوم تانتالات، ایجاد می‌شود.
خصوصیات موجبرها
برخی خصوصیات موجبرها که نقش ویژه‌ای در کاربردهای مرتبط با آن‌ها دارند به شرح زیر هستند:
- شکل و اندازه عرضی مدهای موجبر هدایت شده از جهات مختلف مرتبط هستند. نمایه پرتو مورد نیاز، برای انتقال موثر نور به موجبر تعیین‌کننده است. همچنین، ناحیه مد موثر به شدت برهمکنش غیرخطی در موجبر مرتبط است.
- خواص موجبر بستگی زیادی به گشودگی عددی(و در نتیجه به اختلاف ضریب شکست) دارد. موجبرها کم و بیش به اتلاف خمش حساس هستند.
- تلفات انتشار، با افزایش اختلاف ضریب شکست افزایش می‌یابد. با این‌حال، غالبا در وسایلی که موجبرهای تقریبا کوچک دارند تلفات انتشار نسبتاً زیادی (به‌عنوان مثال بیشتراز 1 دسی بل در میلی متر) تحمل می‌شود.
- در برخی از کاربردها، بایستی از وسایلی برای اثرگذاری بر انتشار نور در موجبر استفاده شود؛ به‌عنوان مثال، استفاده از میدان‌های الکتریکی برای مدولاسیون تابش یا جریان‌های الکتریکی برای به‌دست آوردن بهره در یک نیمه‌هادی.
کاربردهای موجبرهای کانالی
- مدارهای یکپارچه فوتونیک همانند مدارهای الکترونیکی یکپارچه حاوی سیم‌های ریز هستند. این سیم‌های ظریف موجبرهای کانالی هستند.
- در دستگاه‌های نیمه‌هادی فعال مانند لیزردایودها، تقویت‌کننده‌های اپتیکی نیمه‌هادی و مدولاتورهای جذب الکتریکی، موجبرهای کانالی نور را که در یک سطح مقطع کوچک محدود شده در معرض یک محیط لیزر یا تحت تأثیر مدولاسیون قرار می‌دهند.
- انواع دیگر لیزرها و تقویت‌کننده‌های موجبری از موجبرهای آلاییده با یون‌های خاکی کمیاب یا یون‌های فلزی انتقالی، قابل ساخته شدن هستند. به‌دلیل منطقه مد کوچک، می‌توان لیزرهایی با توان آستانه بسیار کم ساخت.
- موجبرها در مواد کریستال غیرخطی امکان تبدیل فرکانس غیرخطی (مثل دوبرابر شدن فرکانس یا نوسان پارامتری اپتیکی) یا مدولاسیون الکترواپتیک را فراهم می‌کند.
- در برخی از حس‌گرهای نوری بخش فعال حس‌گر یک موجبر کانالی وجود است، که سطح بالای آن در معرض تأثیرات خارجی است. به‌عنوان نمونه حس‌گرهایی موجود هست که میدان نوری با نفوذ در مایع بالای موجبر محو می‌شود و به این ترتیب برهمکنش نور با مواد شیمیایی مورد سنجش قرار می‌گیرد.
لیزرهای موجبری
لیزر موجبر، لیزری است که یک موجبر به‌عنوان محیط بهره در آن وجود دارد.
انواع لیزرهای موجبر
- لیزرهای موجبرحالت‌جامد معمولاً مبتنی بر موجبرهای مسطح یا کانالی هستند که در برخی از قطعات بلوری یا شیشه‌ای قرار گرفته‌اند.
- لیزرهای فیبری نیز از لیزرهای موجبری محسوب می‌شوند.
- اساساً همه لیزر دیودها، با هدایت اپتیکی حداقل از یک جهت، لیزر موجبر هستند.
- ساختارهای موجبری در برخی از لیزرهای CO2 نیز استفاده می‌شود. مزیت آن‌ها این است که می‌توان ابعاد عرضی لوله گاز را کاهش داد تا خنک‌کننده گاز لیزر موثر واقع شود و کیفیت پرتو به‌دست آمده بسیار بالا باشد.
خصوصیات لیزرهای موجبر
مهمترین برتری استفاده از موجبر این است که به‌طور موثری واگرایی پرتو حذف می‌شود، بنابراین می‌توان شدت اپتیکی زیاد را برای مدت طولانی حفظ کرد. این مزیت امکان دستیابی به یک بهره اپتیکی بالا و یک بازده بهره بالا را حتی برای انتقال‌های لیزری دشوار و با توان محدود پمپ بیشتر می‌کند. با این حال، این بازده بیشتر ممکن است تا حدی با تلفات انتشار در موجبر، که ممکن است به‌طور قابل توجهی بیشتر از اتلاف مواد bulk باشد، خنثی شود.
ترکیبی از طول انتشار بلند و منطقه کوچک مد می‌تواند باعث تأثیر شدید بر غیرخطی بودن مواد شود. این می‌تواند عملکرد دستگاه‌های خاص را محدود کند. البته گاهی از اثرات غیرخطی می‌توان استفاده‌هایی کرد. به‌عنوان مثال، لیزرهای فیبری رامان از پراکندگی شدید رامان تحریک شده بهره می‌برند.
اثرات حرارتی مانند عدسی حرارتی در محیط بهره، به‌ویژه در مورد هدایت تک مد، تا حد زیادی توسط موجبر سرکوب می‌شود. از آنجا که اثرات حرارتی معمولاً ضعیف تر از اختلاف ضریب شکست است، فقط منجر به تغییر شکل جزئی مد هدایت می‌شوند که پیامدهای قابل توجهی ندارد.
لیزرهای موجبر را می‌توان با سایر عناصر اپتیکی، به‌عنوان مثال با مدولاتورهای اپتیکی برای Q-سوئیچینگ ، قفل کردن مد فعال یا تنظیم طول موج، در همان دستگاه ادغام کرد. این ادغلم یا یکپارچه‌سازی به‌ویژه در مواردی اتفاق می‌افتد که محیط بهره یک ماده بلوری غیرخطی مانند لیتیوم نیوبات (LiNbO3) یا یک نیمه‌هادی باشد. لیزر موجبر حتی ممکن است بخشی از یک مدار مجتمع فوتونیکی پیچیده باشد.
جذابیت برخی لیزرهای موجبر مسطح این است که نور پمپ‌شده از یک دایود لیزر می‌تواند به‌صورت دقیق در موجبر جفت شود بدون اینکه در این بین قطعه اپتیکی وجود داشته باشد.
لیزرهای موجبر معمولاً تشدیدگر لیزری یکپارچه دارند و در نتیجه مزایای مختلفی مانند ست‌آپ پایدار و کوچک را به‌همراه دارند.
[1] Planar waveguide:
[2] Single mode-fibers
[3] Numerical aperture: