ท่อนำแสง (Optical waveguide)คือโครงสร้างทางกายภาพที่นำทางคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นแสงประเภทของท่อนำแสง ที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ท่อนำแสงใยแก้ว นำ แสง ท่อนำแสงไดอิเล็กทริก โปร่งใส ที่ทำจากพลาสติกและแก้ว ท่อนำแสงเหลว และท่อนำคลื่นเหลว

ท่อนำแสงใช้เป็นส่วนประกอบในวงจรแสงแบบรวม หรือเป็นสื่อกลางในการส่งสัญญาณในระบบ สื่อสารด้วยแสงทั้งระยะใกล้และระยะไกล นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในจอแสดงผลแบบสวมศีรษะด้วยแสงในความเป็นจริงเสริมได้อีก ด้วย ^{[ 1 ]}

ท่อนำแสงสามารถจำแนกได้ตามรูปทรงเรขาคณิต (แบบระนาบ แบบแถบ หรือแบบเส้นใย) โครงสร้างโหมด ( โหมดเดี่ยวโหมดหลายโหมด ) การกระจาย ดัชนีหักเห (ดัชนีแบบขั้นบันไดหรือแบบไล่ระดับ) และวัสดุ ( แก้วโพลิเมอร์สารกึ่งตัวนำ )

หลักการพื้นฐานของท่อนำแสงสามารถอธิบายได้โดยใช้แนวคิดของทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิตหรือทัศนศาสตร์เชิงรังสีดังแสดงในแผนภาพ

แสงที่ผ่านเข้าไปในตัวกลางที่มีดัชนี หักเหสูงกว่า จะเบี่ยงเบนเข้าหาเส้นตั้งฉากด้วยกระบวนการหักเห (ภาพก. ) ยกตัวอย่างเช่น แสงที่ผ่านจากอากาศเข้าไปในแก้ว ในทำนองเดียวกัน แสงที่เดินทางในทิศทางตรงกันข้าม (จากแก้วเข้าไปในอากาศ) จะใช้เส้นทางเดียวกัน โดยเบี่ยงเบนออกจากเส้นตั้งฉาก นี่เป็นผลมาจากสมมาตรแบบย้อนกลับเวลารังสีแต่ละเส้นในอากาศ (สีดำ) สามารถจับคู่กับรังสีในแก้ว (สีน้ำเงิน) ได้ ดังแสดงในภาพข . มีการจับคู่แบบหนึ่งต่อหนึ่ง แต่เนื่องจากการหักเห รังสีบางส่วนในแก้วจึงถูกทิ้งไว้ (สีแดง) รังสีที่เหลือจะถูกกักอยู่ในแก้วด้วยกระบวนการที่เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด รังสี เหล่านี้ตกกระทบที่ส่วนต่อประสานระหว่างแก้วกับอากาศที่มุมสูงกว่ามุมวิกฤตรังสีพิเศษเหล่านี้สอดคล้องกับความหนาแน่นของสถานะ ที่สูงกว่า ในสูตรขั้นสูงกว่าที่อิงตามฟังก์ชันของกรีน

โดยใช้การสะท้อนภายในทั้งหมด แสงสามารถถูกกักเก็บและนำทางในท่อนำคลื่นไดอิเล็กทริกได้ (ภาพค ) รังสีสีแดงจะสะท้อนจากทั้งพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของตัวกลางที่มีดัชนีหักเหสูง พวกมันจะถูกนำทางแม้ว่าแผ่นจะโค้งงอหรือบิดเบี้ยว ตราบใดที่มันโค้งงออย่างช้าๆ นี่คือหลักการพื้นฐานเบื้องหลังใยแก้วนำแสงซึ่งแสงจะถูกนำทางไปตามแกน แก้วที่มีดัชนีหักเหสูงใน ปลอกแก้วที่มีดัชนีหักเหต่ำกว่า(ภาพง )

ทัศนศาสตร์เชิงเรย์ให้ภาพคร่าวๆ เกี่ยวกับการทำงานของท่อคลื่นเท่านั้นสมการของแม็กซ์เวลล์สามารถแก้ไขได้ด้วยวิธีการวิเคราะห์หรือเชิงตัวเลข เพื่อให้ได้คำอธิบายแบบเต็มรูปแบบเกี่ยวกับท่อคลื่นไดอิเล็กทริก

บางทีตัวนำคลื่นแสงที่ง่ายที่สุดคือตัวนำคลื่นแสงแบบแผ่นไดอิเล็กทริก[ 2 ^{]หรือเรียก}อีกอย่างว่าตัวนำคลื่นแสงแบบระนาบ^{[ 3 ]}เนื่องจากความเรียบง่าย ตัวนำคลื่นแสงแบบแผ่นจึงมักถูกใช้เป็นแบบจำลองของเล่น แต่ก็มีการประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์บนชิป เช่นตะแกรงตัวนำคลื่นแสงแบบเรียงตัวและ ตัวกรองและตัว ปรับ สัญญาณอะคูสโตออปติกด้วย

ท่อนำคลื่นแบบแผ่นประกอบด้วยวัสดุสามชั้นที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่างกัน โดยทอดยาวไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุดในทิศทางขนานกับรอยต่อระหว่างชั้น แสงจะถูกกักอยู่ในชั้นกลางด้วยการสะท้อนกลับภายในทั้งหมดหากดัชนีหักเหของชั้นกลางมีค่ามากกว่าดัชนีหักเหของชั้นโดยรอบ

ท่อนำคลื่นแบบแผ่นเรียบนั้นโดยพื้นฐานแล้วเป็นท่อนำคลื่นแบบหนึ่งมิติ มันดักจับแสงเฉพาะในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวของวัสดุไดอิเล็กทริกเท่านั้น สำหรับโหมด นำทาง สนามในโดเมน II ในแผนภาพจะแพร่กระจายและสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นคลื่นระนาบสนามในโดเมน I และ III จะสลายตัว แบบเอวาเนสเซนต์เมื่อห่างจากแผ่นเรียบ คลื่นระนาบในโดเมน II จะสะท้อนไปมาระหว่างพื้นผิวด้านบนและด้านล่างด้วยมุมบางมุม ซึ่งโดยทั่วไปจะระบุโดย ซึ่งเป็นเวกเตอร์คลื่นในระนาบของแผ่นเรียบ โหมดนำทางจะเกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันในการเดินทางรอบหนึ่งรอบในแผ่นเรียบ ที่แต่ละความถี่ สามารถพบโหมดหนึ่งโหมดหรือมากกว่านั้น ซึ่งให้ชุดของค่าลักษณะเฉพาะที่สามารถใช้สร้างแผนภาพแถบความถี่หรือความสัมพันธ์การกระจายตัวได้ ${\displaystyle {\vec {\beta }}}$${\displaystyle (\โอเมก้า ,{\vec {\beta }})}$

เนื่องจากโหมดนำทางถูกกักอยู่ในแผ่น จึงไม่สามารถกระตุ้นได้ด้วยแสงที่ตกกระทบที่ด้านบนหรือด้านล่างของแผ่น สามารถใช้เลนส์ในระนาบของแผ่นเพื่อส่งแสงผ่านทางเข้าหรือทางอ้อมได้หรืออาจใช้ตัวเชื่อมแสง เช่น ตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรงหรือตัวเชื่อมต่อแบบปริซึม เพื่อเชื่อมแสงเข้าไปในท่อนำคลื่น

เทคโนโลยีนี้มีสองประเภท ได้แก่ ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนและท่อนำคลื่นแบบสะท้อนแสง

ท่อนำคลื่นแบบแถบโดยพื้นฐานแล้วคือแถบของชั้นที่ถูกจำกัดอยู่ระหว่างชั้นหุ้ม กรณีที่ง่ายที่สุดคือท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าซึ่งเกิดขึ้นเมื่อชั้นนำคลื่นของท่อนำคลื่นแบบแผ่นถูกจำกัดในทิศทางตามขวางทั้งสองทิศทาง แทนที่จะเป็นเพียงทิศทางเดียว ท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าใช้ในวงจรแสงแบบรวมและในไดโอดเลเซอร์โดยทั่วไปแล้วจะใช้เป็นพื้นฐานของส่วนประกอบทางแสง เช่นเครื่องมือวัดการแทรกสอดแบบ Mach–Zehnderและตัวแยกสัญญาณแบบแบ่งความยาวคลื่นโพรงของไดโอดเลเซอร์ มักถูกสร้างขึ้นเป็น ท่อนำคลื่นแสงรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ท่อนำคลื่นแสงที่มีรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าผลิตขึ้นด้วยวิธีการต่างๆ โดยปกติแล้วจะใช้กระบวนการแบบระนาบ

^{ไม่สามารถแก้ปัญหาการกระจายสนามในท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ได้} ด้วยวิธีวิเคราะห์ อย่างไรก็ตาม มี วิธีการแก้ปัญหาโดยประมาณ เช่นวิธีของ Marcatili [ ^{4 ]}วิธีของ Marcatili แบบขยาย^{[ 5 ]}และ วิธี ของKumar ^{[ 6 ]}

ท่อนำคลื่นแบบซี่โครงเป็นท่อนำคลื่นที่ชั้นนำคลื่นประกอบด้วยแผ่นที่มีแถบ (หรือหลายแถบ) วางซ้อนอยู่ ท่อนำคลื่นแบบซี่โครงยังช่วยกักเก็บคลื่นในสองมิติ และการกักเก็บที่ใกล้เคียงกับหนึ่งเป็นไปได้ในโครงสร้างซี่โครงหลายชั้น^{[ 7 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ท่อนำแสงจะรักษาหน้าตัดคงที่ตามทิศทางการแพร่กระจาย ตัวอย่างเช่น ท่อนำแสงแบบแถบและแบบซี่โครง อย่างไรก็ตาม ท่อนำแสงยังสามารถมีการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะในหน้าตัดได้ ในขณะที่ยังคงอนุญาตให้มีการส่งผ่านแสงโดยไม่สูญเสียผ่านสิ่งที่เรียกว่าโหมด Bloch ท่อนำแสงดังกล่าวเรียกว่าท่อนำแสงแบบแบ่งส่วน (ที่มีรูปแบบ 1 มิติ ตามทิศทางการแพร่กระจาย^{[ 8 ]} ) หรือท่อนำแสงผลึกโฟตอนิก (ที่มีรูปแบบ 2 มิติ หรือ 3 มิติ^{[ 9 ]} )

ท่อนำแสงมีการใช้งานที่สำคัญที่สุดในด้านโฟโตนิกส์การจัดเรียงท่อนำแสงในพื้นที่ 3 มิติช่วยให้สามารถบูรณาการระหว่างส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์บนชิปและใยแก้วนำแสงได้ ท่อนำแสงดังกล่าวอาจได้รับการออกแบบสำหรับการแพร่กระจายแสงอินฟราเรดแบบโหมดเดียวที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคม และกำหนดค่าเพื่อส่งสัญญาณแสงระหว่างตำแหน่งอินพุตและเอาต์พุตโดยมีการสูญเสียต่ำมาก

หนึ่งในวิธีการสร้างท่อนำคลื่นดังกล่าวใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์โฟโตเรฟรักทีฟในวัสดุโปร่งใส การเพิ่มขึ้นของดัชนีหักเหของวัสดุอาจเกิดขึ้นได้จากการดูดซับแบบไม่เชิงเส้นของแสงเลเซอร์แบบพัลส์ เพื่อให้ได้การเพิ่มขึ้นของดัชนีหักเหสูงสุด จะใช้พัลส์เลเซอร์ที่สั้นมาก (โดยทั่วไปคือเฟมโตวินาที) และโฟกัสด้วยเลนส์ไมโครสโคปที่มีค่า NA สูง โดยการเลื่อนจุดโฟกัสผ่านวัสดุโปร่งใสจำนวนมาก ท่อนำคลื่นสามารถเขียนได้โดยตรง^{[ 10 ]}วิธีการที่แตกต่างออกไปนี้ใช้เลนส์ไมโครสโคปที่มีค่า NA ต่ำและเลื่อนจุดโฟกัสไปตามแกนลำแสง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการทับซ้อนระหว่างลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสกับวัสดุโฟโตเรฟรักทีฟ จึงช่วยลดพลังงานที่ต้องการจากเลเซอร์^{[ 11 ]} เมื่อวัสดุโปร่งใสสัมผัสกับลำแสงเลเซอร์ที่ไม่โฟกัสที่มีความสว่างเพียงพอที่จะเริ่มต้นปรากฏการณ์โฟโตเรฟรักทีฟ ท่อนำคลื่นอาจเริ่มก่อตัวขึ้นเองอันเป็นผลมาจากการโฟกัสด้วยตนเองที่ สะสมกัน ^{[ 12 ]}การก่อตัวของท่อนำคลื่นดังกล่าวทำให้ลำแสงเลเซอร์แตกออก การได้รับแสงอย่างต่อเนื่องส่งผลให้ดัชนีหักเหสะสมตัวเข้าใกล้เส้นศูนย์กลางของท่อนำแสงแต่ละอัน และทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของสนามโหมดของแสงที่แพร่กระจายยุบตัวลง ท่อนำแสงดังกล่าวจะคงอยู่ในแก้วอย่างถาวรและสามารถถ่ายภาพแบบออฟไลน์ได้ (ดูภาพทางด้านขวา)

ท่อส่งแสงเป็นท่อหรือทรงกระบอกที่ทำจากวัสดุแข็ง ใช้สำหรับนำแสงในระยะทางสั้นๆ ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ ท่อส่งแสงพลาสติกใช้สำหรับนำแสงจากLEDบนแผงวงจรไปยังพื้นผิวส่วนติดต่อผู้ใช้ ในอาคาร ท่อส่งแสงใช้สำหรับส่งแสงสว่างจากภายนอกอาคารไปยังบริเวณที่ต้องการภายในอาคาร

เส้นใยแก้วนำแสงโดยทั่วไปเป็น ตัวนำคลื่นแสงแบบไดอิเล็กทริกที่มีหน้าตัดเป็นวงกลมประกอบด้วย วัสดุ ไดอิเล็กทริกที่ล้อมรอบด้วยวัสดุไดอิเล็กทริกอีกชนิดหนึ่งที่มีดัชนีหักเห ต่ำกว่า เส้นใยแก้วนำแสง ส่วนใหญ่ทำจากแก้วซิลิกาอย่างไรก็ตาม วัสดุ แก้ว ชนิดอื่นก็ถูก นำมาใช้ในบางการใช้งาน และเส้นใยแก้วนำแสงพลาสติกสามารถใช้สำหรับการใช้งานในระยะทางสั้นๆ ได้

• ท่อนำคลื่น ARROW
• ความยาวคลื่นตัด
• ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก
• โฮโลแกรมระนาบดิจิทัล
• รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
• การกระจายโหมดสมดุล
• แอมพลิฟายเออร์แบบท่อนำคลื่นที่เจือด้วยเออร์เบียม
• โหมดรั่วไหล^{[ 13 ]}
• จอแสดงผลแบบนำแสง
• ผลึกโฟตอนิก
• เส้นใยคริสตัลโฟตอนิกส์
• ตัวเชื่อมต่อปริซึม
• สารตัวกลางในการส่งผ่าน
• ท่อนำคลื่น (คลื่นความถี่วิทยุ)
• ท่อนำคลื่น
• ท่อนำคลื่นแบบศูนย์โหมด

• ท่อนำคลื่นแบบไม่เชิงเส้น AdvR ในโพแทสเซียมไททานิลฟอสเฟตที่เจือด้วยรูบิเดียม ( KTP )