光波導

光波導（optical waveguide）是引導光波在其中傳播的介質裝置，又稱介質光波導。光波導有兩大類：一類是集成光波導，包括平面（薄膜）介質光波導和條形介質光波導，它們通常都是光電集成器件（或系統）中的一部分，所以叫作集成光波導；另一類是圓柱形光波導，通常稱為光纖 （見光學纖維）。

光波導由光透明介質（如石英玻璃）構成的傳輸光頻電磁波的導行結構。光波導的傳輸原理不同於金屬封閉波導，在不同折射率的介質分界面上，電磁波的全反射現象使光波局限在波導及其周圍有限區域內傳播。 多模和單模光纖已成功地套用於通信。光纖的傳輸特性對外界的溫度 和壓力等因素敏感，因而可製成光纖感測器，用於測量溫度、壓力、聲場 等物理量。

基本介紹

• 中文名：光波導
• 外文名：optical waveguide
• 別稱：介質光波導
• 波長：介於0.8—1.6微米之間

概念解釋

平面介質光波導是最簡單的光波導，它是用折射率為n₂的矽（或砷化鎵，或玻璃）作基片，用微電子工藝在它上面鍍一層折射率為n₁的介質膜，再加上折射率為n₃的覆蓋層製成。通常取n₁>n₂>n₃，以便將光波局限在介質膜內傳播。條形介質光波導是在折射率為n₂的基體中產生一個折射率為n₁的長條，取n₁>n₂，以便將光波局限在長條內傳播。這種光波導常用作光的分路器、耦合器、開關等功能器件。
光波導的橫向尺寸比光的波長大很多時，光的波動性所產生的衍射現象一般可略去不計，可用幾何光學定律來處理光在其中的傳播問題。如集成光波導和階躍折射率光纖中，都是利用入射角大於臨界角使光在邊界上發生全反射，結果光便沿折線路徑在其中傳播。梯度折射率光纖中，則利用光逐漸往折射率大的方向彎曲的規律，使光線沿曲線路徑在其中傳播。

光波導的橫向尺寸與光的波長相差不大時，光的波動性所產生的衍射現象便不能略去，需用光的電磁理論來處理光在其中的傳播問題。即由麥克斯韋方程組出發，列出邊界條件，求解光波的電場和磁場在光波導內的分布和傳播特性，從而解決有關問題。計算表明，對於一種給定形狀和折射率的光波導，能在其中傳播的光波，其電場和磁場的分布有各種不同形式，把每一種形式叫作一種傳輸模，簡稱為模。每種模都存在一個截止頻率，如果光波的頻率低於這個截止頻率，這種模的光就不能在該光波導中傳播。光纖的直徑越大能傳輸的模數就越多。能傳輸多種模的光纖叫作多模光纖；只能傳輸一種模的光纖叫作單模光纖。多模光纖常用於近距離傳輸，如內窺鏡等；單模光纖則用於遠距離通信。

結構

現代套用的光頻的波長介於0.8—1.6微米之間。實用光波導有光導纖維（見光纖光纜）、薄膜波導、帶狀波導等三類。光導纖維的一個傳輸特性是衰減很小、頻帶很寬、抗電磁干擾，主要用於通信；光導纖維的另一傳輸特性是對外界的溫度和壓力等因素敏感，因而可製成光導纖維感測器，用於測量溫度、壓力、聲場等物理量。

薄膜波導有三層介質，中層的薄膜厚度約1—10微米，上層（通常即為空氣）和底層介質的折射率n₀與n₂都小於n₁。當薄膜的寬度為有限尺寸時，稱為帶狀波導。光波能量主要集中在W×d的矩形帶狀結構中。薄膜波導與帶狀波導主要用於製作有源和無源的光波導元件，如雷射器、調製器和光耦合器等。它們採用半導體薄膜工藝，適合於製成平面結構的集成光路（即光集成部件）。

傳輸特性

光纖的傳輸衰減很小，頻帶很寬。例如，在1.5微米波段衰減可小到0.2分貝/公里，頻頻寬達10⁸/公里數量級（多模光纖）或10⁹赫/公里數量級（單模光纖），如此優良的性能是其他傳輸線難以達到的，因而光纖可用於大容量信號的遠距離傳輸。薄膜波導和帶狀波導傳輸特性及其分析與光纖類似。由於它們主要用來構成元件，對傳輸衰減與頻帶要求並不嚴格。嚴格求解光波導中的電磁場的矢量解較為困難，故通常用標量近似法、射線法等近似解法分析其傳輸特性，包括各個模式的場分布、色散以及模式之間的耦合等。

平面光波導材料

PLC光器件一般在六種材料上製作，它們是：鈮酸鋰（LiNbO₃）、Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物、二氧化矽（SiO₂）、SOI（Silicon-on-Insulator,絕緣體上矽）、聚合物（Polymer）和玻璃。

鈮酸鋰波導是通過在鈮酸鋰晶體上擴散Ti離子形成波導，波導結構為擴散型。InP波導以InP為稱底和下包層，以InGaAsP為芯層，以InP或者InP/空氣為上包層，波導結構為掩埋脊形或者脊形。二氧化矽波導以矽片為襯底，以不同摻雜的SiO2材料為芯層和包層，波導結構為掩埋矩形。SOI波導是在SOI基片上製作，稱底、下包層、芯層和上包層材料分別為Si、SiO2、Si和空氣，波導結構為脊形。聚合物波導以矽片為稱底，以不同摻雜濃度的Polymer材料為芯層，波導結構為掩埋矩形。玻璃波導是通過在玻璃材料上擴散Ag離子形成波導，波導結構為擴散型。

平面光波導工藝

以上六種常用的PLC光波導材料中，InP波導、二氧化矽波導、SOI波導和聚合物波導以刻蝕工藝製作，鈮酸鋰波導和玻璃波導以離子擴散工藝製作，下面分別以二氧化矽波導和玻璃波導為例，介紹兩類波導工藝。

二氧化矽光波導的製作工藝分為七步：

1)採用火焰水解法（FHD）或者化學氣相澱積工藝（CVD），在矽片上生長一層SiO2，其中摻雜磷、硼離子，作為波導下包層；

2)採用FHD或者CVD工藝，在下包層上再生長一層SiO2，作為波導芯層，其中摻雜鍺離子，獲得需要的折射率差；

3)通過退火硬化工藝，使前面生長的兩層SiO2變得緻密均勻。

4)進行光刻，將需要的波導圖形用光刻膠保護起來；

5)採用反應離子刻蝕（RIE）工藝，將非波導區域刻蝕掉；

6)去掉光刻膠，採用FHD或者CVD工藝，在波導芯層上再覆蓋一層SiO2，其中摻雜磷、硼離子，作為波導上包層；

7)通過退火硬化工藝，使上包層SiO2變得緻密均勻。

二氧化矽波導工藝中的幾個關鍵點：

1)材料生長和退火硬化工藝，要使每層材料的厚度和折射率均勻且準確，以達到設計的波導結構參數，儘量減少材料內部的殘留應力，以降低波導的雙折射效應；

2)RIE刻蝕工藝，要得到陡直且光滑的波導側壁，以降低波導的散射損耗；

3)RIE刻蝕工藝總會存在Undercut，要控制Undercut量的穩定性，作為布版設計時的補償依據。

玻璃光波導的製作工藝分為五步：

1)在玻璃基片上濺射一層鋁，作為離子交換時的掩模層；

2)進行光刻，將需要的波導圖形用光刻膠保護起來；

3)採用化學腐蝕，將波導上部的鋁膜去掉；

4)將做好掩模的玻璃基片放入含Ag+－Na+離子的混合溶液中，在適當的溫度下進行離子交換，Ag+離子提升折射率，得到溝道型光波導；

5)對溝道型光波導施以電場，將Ag+離子驅向玻璃基片深處，得到掩埋型玻璃光波導。

平面光波導套用

鈮酸鋰晶體具有良好的電光特性，在電光調製器中套用廣泛。InP材料既可以製作光有源器件又可以製作光無源器件，被視為光有源/無源器件集成的最好平台。SOI材料在MEMS器件中套用廣泛，是光波導與MEMS混合集成的優良平台。聚合物波導的熱光係數是SiO2的32倍，套用在需要熱光調製的動態器件中，可以大大降低器件功耗。玻璃波導具有最低的傳輸損耗和與光纖的耦合損耗，而且成本低廉，是商用光分路器的主要材料。二氧化矽光波導具有良好的光學、電學、機械性能和熱穩定性，被認為是無源光集成最有實用前景的技術途徑。