Che cos'è una guida d'onda?

Le guide d'onda sono strutture specializzate che convogliano le onde elettromagnetiche da una posizione all'altra e vengono spesso utilizzate per collegare due o più componenti al fine di trasferire informazioni. Le guide d'onda presentano tipicamente una sezione trasversale rettangolare o circolare e convogliano microonde, onde radio e onde luminose (guide d'onda ottiche) con basse perdite.

Diversi fattori influenzano il modo in cui le guide d'onda propagano varie onde elettromagnetiche, tra cui:

• Forma della guida d'onda
• Dimensioni della guida d'onda
• Caratteristiche dei materiali utilizzati, come rigidità o flessibilità

Spesso le guide d'onda vengono confuse con i cavi coassiali perché entrambe sono linee di trasmissione impiegate per convogliare le onde elettromagnetiche. Tuttavia, la struttura e i metodi di propagazione delle guide d'onda differiscono da quelli dei cavi coassiali. I cavi coassiali utilizzano due conduttori separati da materiale isolante per propagare le onde elettromagnetiche, mentre all'interno di una guida d'onda, le onde elettromagnetiche viaggiano e si propagano internamente in una struttura cava che supporta diversi "modi" di propagazione. Le guide d'onda ottiche sfruttano la differenza di indice di rifrazione tra due materiali per garantire che le onde luminose si propaghino fino a raggiungere la destinazione prevista. Le guide d'onda non ottiche, utilizzate in applicazioni quali le microonde, confinano e guidano la radiazione elettromagnetica utilizzando l'impedenza o la conduttività del materiale per indirizzare le onde.

Questo articolo prende in esame in modo approfondito le guide d'onda e come i diversi tipi vengono utilizzati oggi, con particolare attenzione alle guide d'onda ottiche.

Le guide d'onda ottiche trasportano la luce a diverse frequenze ottiche, spesso nella gamma dell'infrarosso, e sono comunemente utilizzate per instradare o controllare segnali ottici.

Il tipo più comune di guida d'onda ottica è la fibra ottica, impiegata nelle comunicazioni ottiche. Le fibre ottiche sono convenzionalmente realizzate in vetro di silice e presentano un nucleo ad alto indice di rifrazione e un rivestimento a basso indice di rifrazione che permettono di convogliare la luce lungo la fibra.

Meno comuni sono le guide d'onda ottiche planari, note come guide d'onda integrate poiché vengono realizzate sulla superficie di chip semiconduttori come silicio su isolatore, arseniuro di gallio, niobato di litio o fosfato di indio. Le guide d'onda integrate possono assumere diverse geometrie, tra cui a costola, a striscia, a microstriscia, caricata, a costola invertita e a cristallo fotonico.

I cristalli fotonici rappresentano un'area emergente delle guide d'onda ottiche, in quanto si comportano in modo diverso rispetto ad altre guide d'onda. Invece di convogliare la luce tramite l'indice di rifrazione della guida d'onda, la luce viene convogliata attraverso la strutturazione del cristallo fotonico, poiché essa non può propagarsi direttamente nel cristallo stesso. Alcune lunghezze d'onda della luce vengono bloccate dal gap fotonico del cristallo, in modo analogo a un gap elettronico nei semiconduttori. I cristalli fotonici sono essenzialmente "semiconduttori ottici".

Esistono numerosi tipi di guide d'onda, tra cui le guide d'onda ottiche e quelle utilizzate per convogliare la frequenza microonde, la frequenza radio (RF) e altre onde elettromagnetiche.

Guide d'onda circolari

Le guide d'onda circolari sono tubi cavi utilizzati principalmente per convogliare microonde e onde radio in modalità elettrica trasversale (TE) e magnetica trasversale (TM). Le onde vengono convogliate lungo un percorso circolare, spesso attraverso guide d'onda metalliche.

Questa classe di guide d'onda è comunemente impiegata nelle comunicazioni wireless, nei collegamenti a microonde (backhaul) e nelle applicazioni radar.

Guide d'onda coplanari

Le guide d'onda coplanari sono guide d'onda rettangolari che presentano conduttori costituiti da una striscia conduttrice centrale e due piani di massa, con tutti i conduttori posizionati sullo stesso lato di un materiale substrato (ad esempio una scheda a circuito stampato o un circuito stampato). Le guide d'onda coplanari vengono utilizzate per convogliare le microonde in dispositivi a microonde, circuiti a onde millimetriche (mmWave) e circuiti integrati monolitici a microonde (MMIC).

Guide d'onda flessibili

Le guide d'onda flessibili si distinguono dalle altre guide d'onda per la loro capacità di torcersi e piegarsi, per adattarsi a spazi ristretti dove le guide più rigide non possono essere impiegate. Sono realizzate in rame, ottone o alluminio, con uno strato esterno flessibile, e possono includere strutture corrugate ed elicoidali per garantire la flessibilità. Tuttavia, queste geometrie possono anche introdurre resistenza e attenuazione del segnale all'interno della guida d'onda.

Le guide d'onda flessibili si presentano in tre forme principali: torsionali, incurvabili e torsionali-flessibili. Sono ampiamente utilizzate in applicazioni per la trasmissione di microonde nei settori delle telecomunicazioni e aerospaziale.

Guide d'onda a modo zero

Le guide d'onda a modo zero (ZMW) sono guide d'onda ottiche che convogliano la luce in piccoli volumi al di sotto della lunghezza d'onda della luce stessa. Per ottenere questo risultato, utilizzano strutture su scala nanometrica, come piccole aperture che riducono il volume di osservazione ottica.

A differenza di altre guide d'onda ottiche, le ZMW non supportano i modi ottici propaganti e vengono invece impiegate in ambiti come la plasmonica, l'ottica quantistica e l'imaging di una singola molecola o a fluorescenza.

Guide d'onda dielettriche

Le guide d'onda dielettriche sono le guide d'onda cilindriche utilizzate per costruire fibre ottiche e guide d'onda integrate. Queste guide presentano un nucleo ad alto indice di rifrazione circondato da un rivestimento a basso indice di rifrazione. Le onde luminose si propagano secondo il principio della riflessione interna totale: quando la luce tenta di passare da un mezzo più denso a uno meno denso, viene riflessa nel mezzo più denso all'interfaccia del materiale. Le onde guidate restano quindi intrappolate nel nucleo della fibra, permettendo una trasmissione su lunghe distanze con perdita ridotta. Le guide d'onda dielettriche sono ampiamente utilizzate nelle comunicazioni ottiche e nell'ottica integrata.

Tutte le guide d'onda propagano le onde elettromagnetiche attraverso modi specifici. Nelle guide d'onda ottiche, il modo si riferisce alla forma che assume la luce mentre si propaga lungo la guida d'onda. Le guide d'onda di dimensioni ridotte supportano un numero inferiore di modi, mentre quelle più grandi possono supportare un numero maggiore di modi di propagazione. Nel caso dei modi ottici, è fondamentale mantenere una sezione trasversale costante lungo tutta la guida d'onda, poiché eventuali variazioni possono causare dispersione e influenzare l'attenuazione (perdita di segnale) all'interno della guida d'onda.

Modi trasversi elettrici e magnetici

I modi trasversi elettrici (TE) e modi trasversi magnetici (TM) sono due tipi comuni di modi di guida d'onda utilizzati per la propagazione delle microonde. Un modo che combina entrambi è noto come modo TEM. Questi modi possono verificarsi anche nelle guide d'onda ottiche.

Entrambi i modi TE e TM sono definiti dalla direzione del campo elettromagnetico durante la propagazione. I campi elettromagnetici sono vettori che puntano in una direzione specifica in un dato istante. Nei modi TE, il campo elettrico è trasverso (perpendicolare) alla direzione di propagazione dell'onda (sia orizzontalmente sia verticalmente). Nei modi TM, è il campo magnetico ad essere trasverso rispetto alla direzione di propagazione. Le guide d'onda ottiche possono utilizzare modi quasi-TE e quasi-TM, che sono approssimazioni di modi TE o TM, a differenza di quanto avviene nella propagazione a microonde o a onde radio.

Fibre monomodali e multimodali

Nelle guide d'onda in fibra ottica, la luce può propagarsi in modo monomodale o multimodale. Le fibre monomodali possiedono un nucleo molto piccolo, mentre le fibre multimodali hanno un nucleo significativamente più grande. Le fibre monomodali vengono impiegate nella fotonica su silicio e nelle comunicazioni ottiche a lunga distanza, poiché il loro nucleo più piccolo supporta un numero ridotto di modi, permettendo quindi alla luce (e alle informazioni in essa contenute) di viaggiare in modo efficiente su lunghe distanze. Tuttavia, a causa del nucleo più piccolo, è più difficile far entrare la luce nella guida d'onda. Sono necessari laser specializzati e componenti ottici dedicati per iniettare gli impulsi luminosi nella fibra.

Le fibre multimodali non sono adatte alle telecomunicazioni a lunga distanza in quanto la presenza di più modi fa sì che gli impulsi luminosi si propaghino e si disperdano a velocità diverse. Le fibre multimodali sono invece più indicate per le reti di comunicazione a breve distanza, come le reti LAN (Local Area Network) e i data center.

Esistono numerosi impieghi delle guide d'onda (sia ottiche sia non ottiche), tra cui:

• Comunicazioni ottiche (telecomunicazioni)
• Circuiti fotonici integrati (PIC - Photonic Integrated Circuits)
• Sensori ottici
• Laser
• Interferometri
• Radar
• Comunicazioni a microonde e radiofrequenza (RF)
• Circuiti stampati (PCB)
• Circuiteria ottica
• Trasmettitori ottici
• Comunicazioni Terahertz (THz)
• Sistemi di realtà mista, come la realtà aumentata (AR) e la realtà virtuale (VR), che utilizzano guide d'onda di dimensioni maggiori (note come lightguide) distinte dalle guide d'onda convenzionali

Comunicazioni ottiche

Le comunicazioni ottiche rappresentano uno dei principali ambiti applicativi commerciali, in cui si utilizzano guide d'onda dielettriche per convogliare la luce da un punto all'altro, trasportando informazioni tra i sistemi. Le fibre monomodali vengono utilizzate per la comunicazione a lunga distanza, mentre le fibre multimodali vengono impiegate per la comunicazione a breve distanza.

I laser a semiconduttore generano impulsi luminosi che trasportano informazioni codificate alla fibra. Le informazioni vengono codificate sul segnale ottico modulando la corrente di pilotaggio del laser oppure tramite modulatori esterni separati dal laser. L'onda si propaga quindi attraverso la fibra fino a raggiungere un ricevitore della guida d'onda, che include un fotodiodo e un amplificatore di transimpedenza. Questi ricevitori elaborano i segnali ottici ad alta frequenza provenienti dalla fibra in un segnale elettrico, abilitando la trasmissione dei dati.

Le proprietà del materiale della guida d'onda ottica rivestono un ruolo fondamentale. Oltre agli indici di rifrazione appropriati, anche le caratteristiche di assorbimento di un materiale sono fondamentali, poiché un eccessivo assorbimento ottico può causare la perdita di segnale. Per questo motivo, le guide d'onda sono trasparenti e realizzate in vetro o materiali plastici trasparenti. I materiali di rivestimento opachi assorbirebbero troppa luce, causando un'attenuazione eccessiva nella fibra.

Sebbene la maggior parte delle comunicazioni ottiche (ad esempio, le telecomunicazioni) utilizzi le guide d'onda, non tutte le tecnologie di comunicazione ottica ne richiedono l'uso. Un esempio significativo è la comunicazione ottica in spazio libero (FSO - Free-Space Optical), che propaga la luce attraverso l'aria (ovvero lo spazio libero) per inviare dati tra un trasmettitore e un ricevitore.

Circuiti integrati fotonici

Le guide d'onda ottiche vengono utilizzate anche nei circuiti fotonici integrati (PIC - Photonic Integrated Circuits) come "cavi" del circuito. Sono l'equivalente funzionale dei conduttori convenzionali nei circuiti integrati elettronici (IC), ma trasmettono segnali tramite luce piuttosto che tramite elettroni. Le guide d'onda servono a collegare i diversi componenti presenti sul PIC.

I PIC vengono spesso accoppiati alle fibre ottiche tramite componenti come le lenti che ne modificano la messa a fuoco. Questo perché le fibre ottiche presentano una dimensione di modo significativamente maggiore rispetto a quella dei PIC. La luce viene quindi focalizzata su una scala ridotta per ridurre le perdite.

Numerosi componenti dei PIC si basano sull'utilizzo di guide d'onda, tra cui:

• Splitter: suddividono l'onda luminosa proveniente da una singola guida d'onda in due guide distinte
• Coupler: accoppiano le onde luminose provenienti da due guide d'onda diverse in una guida d'onda unica
• Risonatori ad anello: consistono in strutture circolari o ellittiche utilizzate come filtri o modulatori sul PIC
• Guide d'onda a spirale: introducono un ritardo temporale nel segnale sul PIC
• Grating coupler: accoppiano la luce verticalmente dal chip verso le fibre ottiche e viceversa
• Switch ottici: modificano l'indice di rifrazione all'interno di una guida d'onda per controllare e instradare i segnali ottici attorno al PIC

Sensori ottici

Le guide d'onda ottiche sono ampiamente utilizzate nei sensori ottici. Nel rilevamento chimico, la presenza di una molecola di gas o liquido genera una risposta rilevabile. Queste molecole si legano o interagiscono con la guida d'onda, provocando una variazione dell'indice di rifrazione lungo la guida stessa. Tale variazione può essere misurata e quantificata per determinare le specie chimiche d'interesse. Altre applicazioni comuni che impiegano guide d'onda ottiche includono: Lidar (rilevamento e misurazione della luce), sensori di visione e sensori in fibra ottica.

Le guide d'onda ottiche vengono realizzate mediante tecniche come:

• Litografia
• Scrittura laser
• Deposizione di film sottili
• Trazione della fibra
• Tecniche di scrittura diretta

Per le guide d'onda ottiche integrate, i chip a semiconduttore vengono fabbricati utilizzando le stesse tecniche di produzione impiegate per i circuiti integrati convenzionali. Tra cui:

• Fotolitografia
• Incisione al plasma
• Incisione a ioni reattivi (RIE)
• Deposizione chimica da fase vapore (CVD)
• Deposizione chimica da fase vapore organometallica (MOCVD)
• Deposizione fisica da fase vapore (PVD)
• Deposizione a strato atomico (ALD)
• Epitassia a fascio molecolare (MBE)

L'accuratezza nel processo di fabbricazione è fondamentale, poiché l'irregolarità superficiale di una guida d'onda può provocare dispersione e perdita ottica. Come per qualsiasi semiconduttore, sia il processo di fabbricazione sia l'ambiente sono fondamentali per mantenere un'elevata sensibilità e prevenire contaminazioni.

Le guide d'onda possono essere simulate e i relativi modi di propagazione previsti mediante risolutori di modi. La suite di prodotti Ansys Lumerical consente agli ingegneri di simulare guide d'onda ottiche, mentre il software Ansys HFSS per la simulazione elettromagnetica ad alta frequenza può essere utilizzato per simulazioni RF e microonde. La simulazione permette agli ingegneri di ottimizzare la progettazione delle guide d'onda, riducendo la necessità di prototipazione estesa basata su tentativi ed errori.

Ecco alcuni esempi di ciò che è possibile ottenere con il software di simulazione:

• Progettazione di diversi tipi di guide d'onda, realizzati in un'ampia gamma di materiali e di varie dimensioni
• Ottimizzazione delle sezioni trasversali delle guide d'onda X e Y (ad esempio, la propagazione lungo l'asse Z)
• Calcolo del modo di propagazione (modo TE, modo TM, monomodale o multimodale) impiegato in una guida d'onda
• Calcolo della costante di propagazione e dell'indice effettivo del modo di una guida d'onda durante la propagazione della luce al suo interno
• Calcolo del profilo del campo elettrico di una guida d'onda, inclusi i componenti X, Y e Z del campo
• Verifica dell'assenza di interferenze tra le onde propagate
• Calcolo delle perdite potenziali, incluse le perdite che possono derivare dalla curvatura delle guide d'onda

Oltre ad analizzare le proprietà delle guide d'onda, è anche possibile simulare i sistemi in cui esse sono integrate, al fine di sviluppare design integrati più efficienti.

Ad esempio, gli ingegneri possono impiegare la simulazione per esaminare le guide d'onda a mano a mano che i modi si propagano lungo la guida d'onda stessa e osservare il comportamento della luce in corrispondenza di splitter o accoppiatori, per garantire che l'accoppiamento o la divisione della luce avvenga in modo efficiente e con perdite ridotte nel sistema ottico o fotonico più grande.

Durante la progettazione di circuiti ottici, la simulazione consente inoltre agli ingegneri di analizzare altri componenti e verificarne proprietà, funzionalità e caratteristiche assicurandosi che siano ottimizzati per l'applicazione prevista.

Contatta oggi stesso il team tecnico di Ansys per scoprire in che modo la simulazione può aiutarti a progettare e ottimizzare guide d'onda avanzate.

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