Волновод

ВОЛНОВОД, канал в неоднородной среде естественного или искусственного происхождения, удерживающий распространяющиеся вдоль него волны от дифракционного расплывания. Различают волноводы экранированные (закрытые) и открытые. В закрытом волноводе волны экранируются от окружающего пространства зеркально отражающими стенками или оболочками. К этому типу относятся металлические волноводы, а также экранированные акустические волноводы с жёсткими стенками в виде труб и стержней. При неполном экранировании волны могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Открытые волноводы представляют собой слоистые среды, в которых волны локализуются благодаря явлению полного внутреннего отражения. Слои могут иметь резкие границы, как, например, в диэлектрических волноводах и простейших световодах. В градиентных волноводах параметры среды плавно меняются от слоя к слою (ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звуковой канал). Особый тип волновода возникает в фотонных кристаллах, имеющих периодическую структуру. К открытым волноводам принадлежат и системы с поверхностными волнами, распространяющимися вдоль границы раздела двух сред.

Волны, сохраняющие в волноводе свои поперечные амплитудные профили, называются модами, каждая из которых распространяется со своей фазовой скоростью. Мода может распространяться и переносить вдоль волновода поток энергии только на частотах ω, превышающих некоторую предельную величину ω_кр, называемую критической. Область частот выше ω_кр определяет полосу пропускания волновода. При ω = ω_кр групповая скорость волны обращается в нуль; если ω_кр = 0, то мода называется квазистатической. Обычно в экранированных волноводах моды распространяются быстрее, а в открытых - медленнее, чем плоские однородные волны в заполняющей среде.

При распространении в волноводах начальный сигнал распадается на дискретный набор мод. Межмодовая дисперсия ведёт к расплыванию и искажению огибающей волны. Поэтому при передаче коротких сигналов предпочитают использовать одномодовые волноводы. При больших ω волновод становится сверхразмерным (поперечные размеры волновода значительно превышают длину волны) и в нём одновременно распространяется множество мод. Такие многомодовые волноводы используются, в частности, для передачи больших потоков энергии и передачи оптических изображений по оптоволокну. В нелинейных средах можно формировать так называемые связанные или дискретные волноводы с помощью интерференции двух пересекающихся волн.

А. П. Сухоруков.