光波导中的电磁理论

光波导是一种专门的装置或介质，用于限制和引导光沿预定路径传播，主要以光信号或光子的形式传播。这些波导依靠电磁理论的基本原理来调节光波在其结构内的传输和容纳。

图片来源：Irina Anosova/Shutterstock.com

光波导由限制光线的核心和周围的包层或基底组成。波导芯的折射率大于包层的折射率，这意味着进入波导芯的光线会在接口处发生全内反射，从而被限制在波导芯内。这样，信号就能在引导下远距离传输。

研究光波导的意义在于其对我们日常生活的深远影响，这主要是由光纤技术和光通信的显著进步所推动的。除通信外，光波导还是各种传感、成像和医疗技术不可或缺的一部分。例如，在生物物理和生命科学领域，光波导已成为推动生物医学成像设备和光纤内窥镜发展不可或缺的工具。

光波导具有多功能性，在各个科学领域的用途日益广泛，有望改变我们在工业、医疗和科学前沿领域传输和利用光的方式。

光波导中的指导电磁理论和方程
理解光波导的工作原理取决于电磁波理论的基本概念和方程式。这些原理以麦克斯韦方程为基础，是解读电磁波在光波导中的行为方式的关键。

以下两个麦克斯韦卷曲方程是分析光波导内波传播的关键，概述了电场和磁场如何在空间和时间中演变和相互作用。

这里，e = 电场，h = 磁场，ε = 导磁率，μ 是光波导的磁导率。

将麦克斯韦方程与边界条件相结合，就能通过特征值方程确定可在光波导中传播的模式或场型。每个导波模式都有特定的传播常数和场分布。

模式数量取决于波导尺寸、波长和折射率对比等因素。单模光波导只允许基本模式，而多模类型则允许多种模式。通过电磁模拟了解模态行为，就能设计出具有所需特性（如单模、偏振保持或色散管理）的光波导。

根据电磁场强度得出的波因特矢量（S = e × h）可以量化波导内的功率流密度，并揭示功率如何在波导内传播。它的时间平均值可用于交变场中的功率流分析，有助于全面了解光波导内的功率传输情况。

这些核心概念和方程式共同为理解光波导的复杂工作原理奠定了基础，有助于它们在各种光学系统中的实际应用。

光波导的新趋势
该领域正转向具有低传输损耗、灵活性和多功能性等增强特性的新型光波导。例如，填充空气而非玻璃的中空芯光子晶体光纤可提供超低损耗的光传输。材料科学的进步使更薄、更灵活的光波导能够与可穿戴技术相结合。

广泛应用于电信领域的传统硅玻璃光纤在与人体组织接触时缺乏生物相容性。然而，新型可生物降解的柔性聚合物光波导能有效地传输光线，并且在进入人体后不会产生反应。这些生物相容性光波导正在发展各种光医疗技术，如光动力疗法（PDT）、光热疗法（PTT）、生理信号检测、光学成像和光遗传学。

亚波长超材料为创建光学超波导带来了革命性的变化，在纳米尺度上增强了对光的限制和传播的控制。将功能性亚波长结构与介质波导和等离子波导平台整合在一起，可以实现多种可能性，如多功能耦合接口、片上光信号处理、光子神经网络以及量子和非线性器件。

尽管光元波导技术仍处于早期阶段，但它在塑造光子集成电路和新兴应用的未来方面大有可为。

最新研发成果
二维光波导
芝加哥大学的研究人员在 Jiwoong Park 教授的领导下，利用厚度仅为几个原子的薄玻璃晶体片开发出一种创新的二维光波导系统。令人惊讶的是，这种超薄光波导传输数据的距离是类似光导系统的一千倍以上。相关成果发表在《科学》杂志上。

与光子被封闭在波导内的现有光波导不同，这种系统允许部分光子在传输过程中伸出晶体。这种方法类似于将行李箱放在传送带上，而不是通过管道传送。

这种露天传输方式使得用透镜或棱镜操纵光线变得更容易，并为微型传感器提供了机会。"例如，如果你有一个液体样本，你想感知是否存在某种特定的分子。你可以这样设计，使波导穿过样品，而该分子的存在将改变光的行为"。研究主要作者 Jiwoong Park。

这项研究通过探索二维纳米光子学，为推进用于通信、计算和传感的片上光子系统提供了潜力。

用于微创生物医学成像的超薄光波导
在发表于《光学材料快报》（Optical Materials Express）上的一项研究中，研究人员设计出了比灰尘还薄的光波导，其光损耗极小，非常适合生物医学应用。

他们使用苯乙炔通过激光直接写入来制造光波导，省去了光引发剂，从而提高了潜在植入式传感器的生物兼容性。

"据我们所知，这是用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制造的最小的光波导。我们的柔性波导可以集成到微流控芯片实验室系统中，以消除进行血液测试等所需的笨重的外部光学器件"。该研究的共同作者 Ye Pu 说。

研究人员正在积极改进制造工艺，并设想用这些光波导制造柔性内窥镜，以便在体内难以触及的区域成像，用于诊断或微创手术。

未来展望
未来的光波导研究可能会强调材料开发，以提高光传输效率，探索用于传感的功能材料，并优化波导结构以实现多功能性，包括微流体通道。制造和封装技术的进步将提高波导的性能和多功能模块的集成度。

参考资料

Calvo, M. L., & Lakshminarayanan, V. (Eds.). (2018). Optical waveguides: from theory to applied technologies. CRC press. https://www.routledge.com/Optical-Waveguides-From-Theory-to-Applied-Technologies/Calvo-Lakshminarayanan/p/book/9780367389536

 Lee, M., Hong, H., Yu, J., Mujid, F., Ye, A., Liang, C., & Park, J. (2023). Wafer-scale δ waveguides for integrated two-dimensional photonics. Science, 381(6658), 648-653. https://doi.org/10.1126/science.adi2322

Meng, Y., Chen, Y., Lu, L., Ding, Y., Cusano, A., Fan, J. A., ... & Ni, X. (2021). Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond. Light: Science & Applications, 10(1), 235. https://doi.org/10.1038/s41377-021-00655-x

Okamoto, K. (2006). Chapter 1 - Wave theory of optical waveguides - Fundamentals of optical waveguides. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-012525096-2/50002-7

Panusa, G., Pu, Y., Wang, J., Moser, C., & Psaltis, D. (2019). Photoinitiator-free multi-photon fabrication of compact optical waveguides in polydimethylsiloxane. Optical Materials Express, 9(1), 128-138. https://doi.org/10.1364/OME.9.000128

Wang, J., & Dong, J. (2020). Optical waveguides and integrated optical devices for medical diagnosis, health monitoring and light therapies. Sensors, 20(14), 3981. https://doi.org/10.3390/s20143981

作者：Owais Ali