Volledige interne reflectie wordt ook toegepast bij de golfgeleiders in een fotonische chip (en bij het glasvezelnetwerk). In de onderstaande afbeelding zie je hoe licht zich in een golfgeleider voortplant. Zolang de invalshoek groter is dan de grenshoek zal er volledige interne reflectie optreden en blijft het licht in de golfgeleider; ook als de golfgeleider een bocht maakt.

In de video hieronder is te zien dat dit ook eenvoudig te demonstreren is met een laser en een waterstraal. In de video kan je mooi zien hoe het laserlicht binnen de waterstraal blijft, ook als deze een bocht maakt. De waterstraal kan je in dit geval opvatten als een golfgeleider.

Een simpele golfgeleider is meestal opgebouwd uit een kern van doorzichtig materiaal dat omhuld is met een bekleding. Rond de bekleding is ter bescherming (of als stevigheid) soms een omhulsel aangebracht. In afbeelding 29 zie je hiervan een voorbeeld.

Bij het ontwerpen van een geschikte golfgeleider wordt rekening gehouden met verschillende factoren. Om verlies van lichtintensiteit te voorkomen is het bijvoorbeeld belangrijk dat zoveel mogelijk licht binnen de golfgeleider blijft. Daar kan bij de keuze van het materiaal van de golfgeleider rekening mee gehouden worden. Omdat volledige interne reflectie alleen optreedt zolang de invalshoek groter is dan de grenshoek zal het voordelig zijn om er bij de materiaalkeuze van de golfgeleider voor te zorgen dat die grenshoek zo klein mogelijk is; immers, hoe kleiner de grenshoek is, des te groter de kans wordt dat een invalshoek groter zal zijn dan die grenshoek. In de praktijk zijn er veel verschillende materiaalkeuzes mogelijk die leiden tot een kleine grenshoek. De golfgeleiders op de fotonische chip van afbeelding 18 (in de paragraaf "Golfgeleiders") zijn bijvoorbeeld gemaakt van een kern van siliciumnitride (Si3N4) dat omgeven is met siliciumoxide (SiO2).

De bocht om…

Zoals je hebt gezien in afbeelding 18 zal licht ook binnen een golfgeleider kunnen blijven als deze een bocht maakt; zolang de grenshoek maar overschreden wordt. Er zijn echter wel grenzen aan de sterkte van de bocht (de bochtstraal) die hierbij gehaald kan worden. Bij het ontwerpen van golfgeleiders op een fotonische chip wordt vaak geprobeerd een zo klein mogelijke bochtstraal te halen (in de orde van 100 µm), zodat de chip ook zo klein mogelijk kan blijven. Het probleem is echter dat naarmate de bochtstraal kleiner wordt de kans toeneemt dat het licht niet meer binnen de golfgeleider zal blijven. Er zijn dus grenzen aan de sterkte van de bocht die op een chip gehaald kunnen worden. Dit wordt ook duidelijk na het uitvoeren van de volgende opdracht.

Als licht zich in een golfgeleider voortplant zullen er binnenin de golfgeleider staande golven ontstaan. Je hebt inmiddels in de paragraaf over de laser kunnen ontdekken dat licht dat tussen de spiegels van een laser heen en weer beweegt met zichzelf interfereert en dat hierbij staande golven ontstaan. Deze staande golven ontstaan zolang de halve golflengte een gehaal aantal malen in de afstand tussen de spiegels past. Ditzelfde principe treedt ook op als licht tussen de wanden van de golfgeleider heen en weer kaatst. Ook hier zullen staande golven ontstaan. Stel dat de kern van een golfgeleider een rechthoekige doorsnede heeft met breedte b en hoogte h (zie ook de afbeelding hieronder).

De lichtgolf die zich binnen deze golfgeleider voortplant zal tussen de wanden van de golfgeleider weerkaatsen vanwege totale interne reflectie. Hierbij kunnen zowel staande golven in de breedte als in de hoogte van de golfgeleider ontstaan. Binnen de fotonica wordt er meestal naar gestreefd om zo weinig mogelijk storende invloeden van deze staande golven te krijgen. Men wil daarom zo min mogelijk staande golven binnen een golfgeleider laten ontstaan. Hier moet bij het ontwerpen van een golfgeleider rekening mee gehouden worden.

In de onderstaande app kan je zelf een rechthoekige golfgeleider ontwerpen. De app laat vervolgens zien hoe het patroon van de staande golven binnen de golfgeleider eruit komt te zien. Je kunt zelf gaan experimenteren met de app en je eigen golfgeleider ontwerpen. Om te begrijpen wat je in de app ziet is het goed om eerst even een aantal zaken uit te leggen die je in de app kunt instellen en zien. Bij de uitleg wordt de afbeelding gebruikt die in afbeelding eronder staat. Hierin zie je het invoerscherm van de app waarin al het een en ander is ingevuld.

Helemaal bovenaan kan je de golflengte (Vacuum wavelength) instellen van het licht dat zich in de golfgeleider gaat voortplanten. In het voorbeeld is de golflengte van rood licht (750 nm = 0.75 µm) ingevoerd.

Stel voor de eenvoud de “Polarization” in op “TE” en de “Number of interior layers” en “slices” op 1 (net als in de afbeelding).

Als je dit hebt gedaan zie je als het goed is een patroon van negen rechthoekjes verschijnen, waarvan je zelf de brekingsindex kunt instellen. In het voorbeeld van de afbeelding is er voor gekozen om de kern van de golfgeleider van siliciumnitride (n = 2,05) te maken en het materiaal eromheen van siliciumoxide (n = 1,46).

De breedte en hoogte van de golfgeleider zijn vervolgens ook instelbaar. In het voorbeeld is er voor gekozen om voor de breedte 1,0 µm en de hoogte 0,5 µm te nemen. Er ontstaat hierdoor een golfgeleider die eruit ziet zoals in afbeelding 30.

Klik vervolgens op “Solve”. Er verschijnt als het goed is een rijtje met zes mogelijke staande golven die in deze golfgeleider gaan ontstaan. Zie ook afbeelding 31.

Door vervolgens onder in het invoerscherm op “Plot” te drukken kan je het patroon van de staande golf bekijken.

Kies een staande golf uit het rijtje van zes. Door vervolgens op plot te drukken kan je de betreffende staande golf zien die in de golfgeleider ontstaat.

Wat je moet kennen en kunnen na deze paragraaf "Golfgeleiders":

• Je kunt beschrijven wat de eisen zijn die aan een goede golfgeleider van een fotonische chip worden gesteld.

• Je kunt uitleggen hoe de voortplantingssnelheid van licht door een materiaal afhangt van de brekingsindex van het materiaal.

• Je kunt de formules n = c / v en n = λ0 / λ op een juiste manier gebruiken en toepassen binnen verschillende vraagstukken.

• Je kunt de concepten reflectie en breking van licht toepassen binnen verschillende vraagstukken.

• Je kunt de wet van Snellius (ni sin i = nt sin t) op een juiste manier gebruiken en toepassen binnen verschillende vraagstukken.

• Je kunt uitleggen wat het begrip grenshoek inhoudt.

• Je kunt de formule sin g = nt / ni  op een juiste manier gebruiken en toepassen binnen verschillende vraagstukken.

• Je kunt bij de overgang van twee of meer doorzichtige materialen het verloop van een lichtstraal tekenen.