Волновод

Волновод — это искусственная или естественная направляющая структура, предназначенная для передачи электромагнитных волн (в радиодиапазоне, оптическом диапазоне) или акустических волн (в ультразвуковом диапазоне) с минимальными потерями энергии. В зависимости от физической природы волны и рабочего диапазона частот волноводы могут быть выполнены в виде металлических труб, диэлектрических стержней, оптоволокна, акустических каналов или планарных структур на подложке. Основное свойство волновода — способность локализовать волновое поле в поперечном сечении и направлять его вдоль продольной оси, обеспечивая распространение без значительного рассеяния в окружающее пространство.

История

Первые теоретические основы распространения волн в направляющих системах были заложены в XIX веке. В 1893 году британский физик Джозеф Джон Томсон впервые описал возможность передачи электромагнитных волн внутри металлической трубы. В 1897 году лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт) математически обосновал существование мод (типов волн) в круглых волноводах. Практическое применение волноводов началось в 1930-х годах с развитием радиолокации и микроволновой техники. В 1936 году американский инженер Джордж Саутворт провёл первые эксперименты по передаче сантиметровых волн по металлическим трубам. В 1940-х годах, в ходе Второй мировой войны, волноводы стали ключевым элементом радарных установок. В 1950-х годах началось исследование диэлектрических волноводов для оптического диапазона, а в 1970-х годах, с изобретением низкооптического волокна (Корнинг, 1970), волоконно-оптические волноводы произвели революцию в телекоммуникациях.

Классификация

Волноводы классифицируются по нескольким признакам: по физической природе волны, по геометрии, по материалу и по типу распространяющихся мод.

По физической природе волны

• Электромагнитные волноводы — предназначены для передачи радиоволн (от дециметрового до миллиметрового диапазона) и световых волн (оптические волноводы). К ним относятся металлические волноводы, диэлектрические волноводы, планарные волноводы и оптические волокна.
• Акустические волноводы — направляют звуковые и ультразвуковые волны. Применяются в гидроакустике, медицинской диагностике (ультразвуковые датчики), а также в акустооптике.

По геометрии и конструкции

• Металлические волноводы — полые металлические трубы прямоугольного или круглого сечения. Распространение электромагнитных волн происходит внутри трубы. Используются в диапазоне частот от 1 ГГц до 100 ГГц.
• Диэлектрические волноводы — сплошные стержни или полоски из диэлектрика с высоким показателем преломления, окружённые средой с меньшим показателем (например, воздухом). Применяются в интегральной оптике.
• Планарные волноводы — тонкие слои диэлектрика на подложке, формирующие канал для распространения света. Являются основой фотонных интегральных схем.
• Оптические волокна — тонкие нити из стекла или пластика, в которых свет распространяется за счёт полного внутреннего отражения. Делятся на одномодовые и многомодовые.
• Копланарные волноводы — полосковые линии на поверхности печатной платы, используемые в микроволновой технике.

По типу распространяющихся мод

• Одномодовые волноводы — поддерживают распространение только одной моды (типа колебаний). Обеспечивают минимальную дисперсию и высокую пропускную способность. Используются в дальней связи.
• Многомодовые волноводы — поддерживают распространение нескольких мод одновременно. Проще в изготовлении, но имеют большую дисперсию и меньшую пропускную способность.

Физические принципы

Распространение волны в волноводе описывается уравнениями Максвелла (для электромагнитных волн) или волновым уравнением (для акустических волн). Внутри волновода волна распространяется в виде набора собственных мод, каждая из которых характеризуется определённой структурой поля и постоянной распространения. Для металлических волноводов характерны моды типа TE (поперечно-электрические) и TM (поперечно-магнитные), а также гибридные моды (HE, EH). В диэлектрических волноводах и оптических волокнах моды являются гибридными.

Ключевым параметром волновода является критическая частота — минимальная частота, при которой волна может распространяться в данной структуре. Для металлических волноводов критическая частота определяется геометрическими размерами поперечного сечения. Например, для прямоугольного волновода с размерами a и b (a > b) критическая частота для основной моды TE10 равна f_c = c/(2a), где c — скорость света. Для частот ниже критической волна затухает экспоненциально (режим отсечки).

Применение

Радиолокация и связь

Металлические волноводы широко используются в радиолокационных станциях (РЛС) для передачи микроволновых сигналов от передатчика к антенне и от антенны к приёмнику. Они обеспечивают низкие потери и высокую помехоустойчивость. В спутниковой связи волноводы применяются в фидерных трактах антенн.

Оптические телекоммуникации

Оптические волокна являются основой современных линий связи. Благодаря низкому затуханию (менее 0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм) и огромной пропускной способности (десятки терабит в секунду), они обеспечивают передачу данных на тысячи километров без регенерации. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) используются в интернете, телефонной связи, кабельном телевидении.

Интегральная оптика и фотоника

Планарные волноводы являются базовыми элементами фотонных интегральных схем (ФИС), которые выполняют функции, аналогичные электронным микросхемам, но с использованием света. На их основе создаются оптические модуляторы, переключатели, фильтры, лазеры и детекторы. Фотоника применяется в вычислительной технике, сенсорике, биомедицине.

Медицина

Волноводы используются в медицинской диагностике (эндоскопия — гибкие оптические волокна для визуализации внутренних органов) и терапии (лазерные волноводы для хирургии, ультразвуковые волноводы для литотрипсии).

Промышленность

Волноводы применяются в измерительной технике (волноводные резонаторы, рефлектометры), в системах нагрева (микроволновые печи промышленного назначения), в дефектоскопии (ультразвуковые волноводы для контроля сварных швов).

Примеры

• Прямоугольный волновод WR-90 — стандартный волновод для X-диапазона (8,2–12,4 ГГц), внутренние размеры 22,86 × 10,16 мм. Используется в радиолокации.
• Одномодовое оптическое волокно SMF-28 — стандартное волокно для телекоммуникаций с диаметром сердцевины 8,2 мкм и внешним диаметром 125 мкм. Рабочая длина волны 1310–1550 нм.
• Планарный волновод на основе ниобата лития (LiNbO₃) — используется в электрооптических модуляторах для высокоскоростной передачи данных.

Интересные факты

• В первых радарах Второй мировой войны использовались волноводы с внутренним сечением, близким к прямоугольному, что позволяло эффективно передавать мощность до нескольких мегаватт.
• Оптическое волокно, изготовленное из чистого кварцевого стекла, может передавать свет на расстояние более 100 км без усилителей.
• В акустических волноводах, используемых в медицинском ультразвуке, длина волны составляет доли миллиметра, что позволяет фокусировать энергию на малых участках.
• Существуют так называемые «волноводы на поверхностных плазмонах», которые позволяют локализовать свет на масштабах, меньших длины волны, что открывает возможности для нанофотоники.

Источники

• Дж. Дж. Томсон, «Электрические колебания в трубах», Philosophical Magazine, 1893.
• Дж. У. Рэлей, «О распространении электрических волн по трубам», Philosophical Magazine, 1897.
• Дж. Саутворт, «Эксперименты по распространению волн в волноводах», Bell System Technical Journal, 1936.
• К. К. Као, «Диэлектрические волноводы для оптической связи», Proceedings of the IEE, 1966.
• Р. Е. Коллин, «Основы микроволновой техники», McGraw-Hill, 1966.
• А. Ярив, «Оптические волны в кристаллах», Wiley, 1984.
• Д. Маркузе, «Теория диэлектрических волноводов», Academic Press, 1974.