Волновод

Впервые конструкция для передачи волн была предложена английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1893 году, а первым её принцип экспериментально проверил английский физик и изобретатель Оливер Лодж в 1894 году. Первым математический анализ хода электромагнитных волн в металлическом цилиндре выполнил британский физик и механик Лорд Рэлей в 1897 году^[2]. В процессе тщательного изучения звуковых волн (поверхностных акустических волн) Лорд Рэлей опубликовал полный математический анализ принципа их распространения в своём фундаментальном исследовании «Теория звука»^[3].

В дальнейшем, в 20-е годы двадцатого века началось изучение диэлектрических волноводов (в том числе и оптических волокон). Несколько учёных, среди которых наиболее известными являлись британский физик и механик Рэлей, немецкий физик-теоретик и математик Зоммерфельд, а также нидерландский физик Дебай. Фундаментальные исследования привели к тому, что в 1960-е годы оптоволокна стали привлекать к себе особое внимание в связи с открывающимися возможностями их использования для передачи данных и обеспечения связи.

В волноводах, как в системах с распределёнными параметрами, возможно существование дискретного (при не очень сильном поглощении) набора (ансамбля) типов колебаний (мод), каждый тип колебаний распространяется со своими фазовыми и групповыми скоростями. Все моды обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты и отличаются от групповых скоростей.

В экранированном волноводе фазовые скорости обычно превышают скорость распространения плоской однородной волны в заполняющей среде (скорость света, скорость звука), эти волны называются быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Это так называемые утекающие волны. В открытых волноводах, как правило, распространяются медленные волны, амплитуды которых быстро убывают при удалении от направляющего канала.

Каждая мода характеризуется предельной частотой ${\displaystyle \omega _{k}}$ , называемой критической; мода может распространяться и переносить вдоль волновода поток энергии только на частотах ${\displaystyle \omega }$, превышающих ${\displaystyle \omega _{k}}$. Однако в некоторых случаях (многопроводные линии передачи, полые акустические волноводы) существуют моды, для которых ${\displaystyle \omega _{k}=0}$, их называют главными или квазистатическими.

При больших ${\displaystyle \omega }$ волновод становится сверхразмерным (поперечные размеры волновода значительно превышают длину волны): тогда в нём одновременно может распространяется множество мод, которые при определённых соотношениях между амплитудами и фазами могут группироваться в бегущие вдоль волновода сгустки. В предельном случае, в волноводе образуется стоячая волна с узлами и пучностями, например, для акустических волноводов — узлы акустического давления. В узлах стенки можно убрать, заменив сплошную трубу последовательно расставленными отражателями. Такие, а также аналогичные им линзовые системы классифицируют как квазиоптические волноводы или квазиоптические линии передачи.

Радиочастотные электрические волноводы (к которым относятся коаксиальные кабели, полые металлические волноводы и др.) широко применяются в радиотехнике, в том числе, в средствах радиосвязи, радиолокационных станциях, технике для ускорения элементарных частиц. В бытовой микроволновой печи через полый металлический радиоволновод энергия от магнетрона, являющегося источником электромагнитных волн, поступает в камеру для разогрева.

Оптоволокно, являющееся волноводом для оптического излучения, используют для передачи света и сигналов на дальние расстояния с малой потерей мощности и в широком диапазоне длин волн. Конструктивно схожие с оптоволокном диэлектрические волноводы используются в диапазоне СВЧ.

Акустические волноводы (переговорные трубы) применяются и на современных судах и кораблях, дублируя электронные переговорные устройства при их отказе. Ультразвуковые волноводы на поверхностных акустических волнах, выполненные по интегральной технологии и работающие на частотах в сотни МГц и более, применяются в устройствах функциональной электроники для обработки радиосигналов (задержка, частотная фильтрация, согласованные фильтры, фурье-анализ и др.).

В 2026 году исследователи из МФТИ, центра XPANCEO (ОАЭ) и других научных организаций разработали новый тип V-образных волноводов для фотонных интегральных схем^[4][5]. Они формируются из слоёв оксихлорида молибдена (MoOCl₂), который проявляет свойства металла или диэлектрика в зависимости от угла движения фотонов. Возникающие в материале квазичастицы (гиперболические плазмон-поляритоны) позволяют локализовать излучение и управлять им^[6]. Новые волноводы позволяют в десятки раз уменьшить габариты устройств по сравнению с аналогами из золота, сохраняя оптический сигнал на расстоянии нескольких десятков микрон^[6][7].