Guias De Ondas

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C4-Guias de onda

4. GUÍAS DE ONDA
Debido a efectos difractivos, los haces de luz van incrementando su sección transversal a
medida que viajan en el espacio libre. Estos efectos pueden corregirse mediante lentes, y de
hecho, los primeros sistemas de comunicaciones a través del espacio libre se basaron en el
uso de estos dispositivos para lograr transmitir el haz a distancias muygrandes. La
alternativa a esto es el empleo de conductos dieléctricos que confinan la luz y permiten que
viaje por grandes distancias con pérdidas mínimas. La óptica de ondas guiadas se encarga de
describir los fenómenos relacionados con estos conductos dieléctricos conocidos como guías
de onda. Las aplicaciones de este tipo de elementos van desde el desarrollo de sistemas que
permitan llevar laluz a lugares de difícil acceso, hasta el desarrollo de dispositivos ópticos
miniaturizados y opto electrónicos que requieran confinar un haz de luz para realizar su
función.
Las guías de onda se basan en el confinamiento de la luz, efecto que se logra mediante el
uso de dos medios con índice de refracción diferente. El medio con índice de refracción
menor (núcleo) se embebe en el medio coníndice de refracción mayor (revestimiento o
cubierta); la luz queda confinada en el medio el núcleo debido a reflexión total interna. La
geometría de las guías de onda puede ser plana (slab, strip) o cilindrica, siendo esta última la
más utilizada (fibras ópticas).

4.1 Guías de onda planas
Las guías de onda plana con geometría rectangular son las más utilizadas en dispositivos de
ópticaintegrada. Para el análisis de la propagación de una onda en este tipo de dispositivos,
es conveniente iniciar considerando una guía de onda formada con dos espejos planos.
4.1.1 guías de onda planas con espejos.
Para el análisis de propagación en estas
guías
se
hacen
las
siguientes
consideraciones:

y

x

•
•

d
z
Espejos ideales (reflejan la luz sin
perdidas)
θ
Un haz de luzincide a un ángulo θ
en el espejo y la luz rebota
múltiples veces en los espejos sin perdidas de energía (la luz es guiada entonces en la
dirección z).

Modos en la guía de onda.
Muchos efectos importantes en esta guía de onda no son explicados por la óptica de rayos.
Para considerar estos efectos podemos asociar a cada rayo una onda electromagnética

Aplicaciones de Optoelectrónica enMedicina

Semestre 2010-II

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C4-Guias de onda

plana transversal (TEM). El campo electromagnético total será entonces la suma de
todas estas ondas.
Parámetros de la onda plana TEM:
•

Longitud de onda λ =

λ0

n
Numero de onda k = nk 0
c
• Velocidad de fase c = 0
n
Se considera además que la onda está polarizada en la dirección x y que su vector de onda
esta en el plano yzhaciendo un ángulo θ con el eje z. Al igual que el rayo, la onda se refleja
en el espejo superior viajando a un ángulo - θ, luego es reflejada por el espejo inferior para
repetir el viaje inicial. La polarizacion de la onda no cambia en cada reflexión, además,
cada vez que se refleja, la onda sufre un cambio de fase de π. Esto asegura la condición de
frontera de que la suma de cada onda y supropia reflexión sea cero para que el campo total
en el espejo sea nulo.
•

Para obtener los modos de propagación en la guía de onda se utiliza la condición de auto
consistencia. Esta establece que después de reflejarse dos veces, la onda debe
reproducirse a si misma. Así, los modos pueden definirse como campos que mantienen la
misma distribución transversal y polarizacion a lo largo de todo eleje de la guía de
onda. Utilizando la óptica geométrica puede demostrarse que la relación de fase para la
condición de auto consistencia está dada por:

2π

λ

(2d sin θ ) = 2π (q + 1) = 2πm ,

m = 1,2,Κ

Los ángulos de rebote que satisfacen esta condición son entonces:
sin θ m = m

λ
2d

, m = 1,2,Κ

El campo asociado a cada uno de estos ángulos se conoce como el modo de...