Reflector Bragg distribuido - Distributed Bragg reflector

Simulación con resolución temporal de un pulso reflejado en un espejo de Bragg.

Un reflector de Bragg distribuido ( DBR ) es un reflector que se utiliza en guías de ondas , como las fibras ópticas . Es una estructura formada por múltiples capas de materiales alternos con índice de refracción variable , o por la variación periódica de alguna característica (como la altura) de una guía de ondas dieléctrica, lo que resulta en una variación periódica en el índice de refracción efectivo en la guía. Cada límite de capa provoca un reflejo parcial de una onda óptica. Para ondas cuya longitud de onda de vacío es casi cuatro veces mayor que el espesor óptico de las capas, las numerosas reflexiones se combinan con interferencia constructiva y las capas actúan como reflectores de alta calidad. El rango de longitudes de onda que se reflejan se denomina banda de detención fotónica . Dentro de este rango de longitudes de onda, la luz tiene "prohibido" propagarse en la estructura.

Reflectividad

Reflectividad calculada de una estructura DBR esquemática

Del DBR reflectividad , por la intensidad está dada aproximadamente por ${\ Displaystyle R}$

${\ Displaystyle R = \ left [{\ frac {n_ {o} (n_ {2}) ^ {2N} -n_ {s} (n_ {1}) ^ {2N}} {n_ {o} (n_ { 2}) ^ {2N} + n_ {s} (n_ {1}) ^ {2N}}} \ derecha] ^ {2},}$

donde y son los índices de refracción respectivos del medio de origen, los dos materiales alternos y el medio de terminación (es decir, soporte o sustrato); y es el número de pares repetidos de material de índice de refracción bajo / alto. Esta fórmula asume que todos los pares repetidos tienen un espesor de un cuarto de onda (es decir , donde está el índice de refracción de la capa, es el espesor de la capa y es la longitud de onda de la luz). ${\ Displaystyle n_ {o}, \ n_ {1}, \ n_ {2}}$${\ Displaystyle n_ {s} \,}$${\ Displaystyle N}$${\ Displaystyle nd = \ lambda / 4}$${\ Displaystyle n}$${\ Displaystyle d}$${\ Displaystyle \ lambda}$

El ancho de banda de frecuencia de la banda de supresión fotónica se puede calcular mediante ${\ Displaystyle \ Delta f_ {0}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ Delta f_ {0}} {f_ {0}}} = {\ frac {4} {\ pi}} \ arcsin \ left ({\ frac {n_ {2} -n_ {1 }} {n_ {2} + n_ {1}}} \ derecha),}$

donde es la frecuencia central de la banda. Esta configuración proporciona la relación más grande posible que se puede lograr con estos dos valores del índice de refracción. ${\ Displaystyle f_ {o}}$${\ displaystyle {\ frac {\ Delta f_ {0}} {f_ {0}}}}$

Aumentar el número de pares en un DBR aumenta la reflectividad del espejo y aumentar el contraste del índice de refracción entre los materiales en los pares de Bragg aumenta tanto la reflectividad como el ancho de banda. Una elección común de materiales para la pila es el dióxido de titanio ( n ≈ 2,5) y la sílice ( n ≈ 1,5). Sustituyendo en la fórmula anterior, se obtiene un ancho de banda de aproximadamente 200 nm para luz de 630 nm.

Los reflectores distribuidos de Bragg son componentes críticos en la superficie de la cavidad vertical que emiten láseres y otros tipos de diodos láser de ancho de línea estrecho , como los láseres de retroalimentación distribuida (DFB) y los láseres de reflector distribuido de Bragg (DBR) . También se utilizan para formar el resonador de cavidad (o cavidad óptica ) en láseres de fibra y láseres de electrones libres .

Reflectividad en modo TE y TM

Reflectividad calculada para luz en modo TE en varios ángulos de incidencia y longitudes de onda. Las regiones rojas corresponden a R = 1, mientras que las regiones azules corresponden a R = 0 y otros colores 0 <R <1.

Reflectividad calculada para luz en modo TM en varios ángulos de incidencia y longitudes de onda. Las regiones naranjas corresponden a R = 1, mientras que las regiones azules corresponden a R = 0 y otros colores 0 <R <1.

Esta sección analiza la interacción de la luz polarizada eléctrica transversal (TE) y magnética transversal (TM) con la estructura DBR, en varias longitudes de onda y ángulos de incidencia. Esta reflectividad de la estructura DBR (descrita a continuación) se calculó utilizando el método de matriz de transferencia (TMM), donde el modo TE solo se refleja en gran medida en esta pila, mientras que los modos TM se pasan. Esto también muestra al DBR actuando como polarizador .

Para la incidencia de TE y TM tenemos los espectros de reflexión de una pila DBR, correspondiente a una pila de 6 capas de contraste dieléctrico de 11,5, entre una capa de aire y otra dieléctrica. Los espesores de las capas de aire y dieléctricas son 0,8 y 0,2 del período, respectivamente. La longitud de onda de las figuras siguientes corresponde a múltiplos del período de la celda.

Este DBR también es un ejemplo simple de un cristal fotónico 1D . Tiene un intervalo de banda TE completo, pero solo un intervalo de banda pseudo TM.

Reflectores Bragg de inspiración biológica

Reproducir medios

Ejemplo de cambio de color en reflector Bragg con cambio de humedad y comparación con estructura biológica.

Los reflectores Bragg bioinspirados son cristales fotónicos 1D inspirados en la naturaleza. La reflexión de la luz de una materia tan nanoestructurada da como resultado una coloración estructural . Cuando se diseñan a partir de polímeros o óxidos metálicos mesoporosos, estos dispositivos se pueden utilizar como sensores de vapor / disolventes de bajo costo. Por ejemplo, el color de estas estructuras porosas de múltiples capas cambiará cuando la materia que llena los poros sea sustituida por otra, por ejemplo, sustituyendo el aire por agua.

Ver también

• Ley de Bragg: ley  física sobre la dispersión de ángulos de radiación a través de un medio
• Difracción de Bragg
• Difracción  : fenómeno del movimiento de las ondas
  • Rejilla de difracción  : componente óptico que divide la luz en varios haces
• Espejo dieléctrico
• Interferómetro de Fabry-Pérot
• Rejilla de fibra de Bragg  : tipo de reflector de Bragg distribuido construido en un segmento corto de fibra óptica
• Fibra de cristal fotónico  : clase de fibra óptica basada en las propiedades de los cristales fotónicos
• Láser emisor de superficie de cavidad vertical

Referencias