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[[File:光波导1.jpg|缩略图|光波导[https://dss2.bdstatic.com/70cFvnSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=944349923,1299820551&fm=26&gp=0.jpg 原图链接][https://dss2.bdstatic.com/70cFvnSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=944349923,1299820551&fm=26&gp=0.jpg 图片来源百度网]]] '''光波导'''(optical waveguide)是引导光波在其中传播的[[介质]]装置,又称介质光波导。光波导有两大类:一类是[[集成]]光波导,包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导,它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分,所以叫作集成光波导;另一类是圆柱形光波导,通常称为光纤 (见光学纤维)。 <ref>[词条作者:陈熙谋.《中国大百科全书》74卷(第二版)物理学 词条:光波导:中国大百科全书出版社,2009-07:185页]</ref> 光波导由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频[[电磁波]]的导行[[结构]]。光波导的传输原理不同于金属封闭波导,在不同[[折射率]]的介质分界面上,电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。 多模和单模光纤已成功地应用于通信。光纤的传输特性对外界的[[温度]] 和压力等因素敏感,因而可制成光纤传感器,用于测量温度、压力、[[声场]] 等[[物理量]]。 <ref>[词条作者:叶培大、吴彝尊 .《中国大百科全书》74卷(第一版)电子学与计算机 词条:光波导:中国大百科全书出版社,1987]</ref> '''中文名''':[[光波导]] '''外文名''':[[optical waveguide]] [[File:光波导2.jpg|缩略图|光波导[https://dss3.bdstatic.com/70cFv8Sh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=4029421100,3604888673&fm=26&gp=0.jpg 原图链接][https://dss3.bdstatic.com/70cFv8Sh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=4029421100,3604888673&fm=26&gp=0.jpg 图片来源百度网]]] '''别 称''':[[介质光波导]] '''波 长''':[[介于0.8—1.6微米之间 ]] ==概念解释== 平面介质光波导是最简单的光波导,它是用折射率为n2的硅(或砷化镓,或玻璃)作基片,用微电子工艺在它上面镀一层折射率为n1的介质膜,再加上折射率为n3的覆盖层制成。通常取n1>n2>n3,以便将光波局限在[[介质膜]]内传播。条形介质光波导是在折射率为n2的基体中产生一个折射率为n1的长条,取n1>n2,以便将光波局限在长条内传播。这种光波导常用作光的[[分路器]]、[[耦合器]]、[[开关]]等功能器件。 光波导的横向尺寸比光的波长大很多时,光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计,可用几何光学定律来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中,都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生全反射,结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中,则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律,使光线沿曲线路径在其中传播。 光波导的横向尺寸与光的波长相差不大时,光的波动性所产生的衍射现象便不能略去,需用光的电磁理论来处理光在其中的传播问题。即由麦克斯韦方程组出发,列出边界条件,求解光波的电场和磁场在光波导内的分布和传播特性,从而解决有关问题。计算表明,对于一种给定形状和折射率的光波导,能在其中传播的光波,其电场和磁场的分布有各种不同形式,把每一种形式叫作一种传输模,简称为模。每种模都存在一个截止频率,如果光波的频率低于这个截止频率,这种模的光就不能在该光波导中传播。光纤的直径越大能传输的模数就越多。能传输多种模的光纤叫作多模光纤;只能传输一种模的光纤叫作单模光纤。多模光纤常用于近距离传输,如[[内窥镜]]等;单模光纤则用于远距离通信。 [[File:光波导3.jpg|缩略图|光波导[https://ss2.bdstatic.com/70cFvnSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=3048576052,2765848358&fm=26&gp=0.jpg 原图链接][https://ss2.bdstatic.com/70cFvnSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=3048576052,2765848358&fm=26&gp=0.jpg 图片来源百度网]]] ==结构== 现代应用的光频的波长介于0.8—1.6微米之间。实用光波导有[[光导纤维]](见光纤光缆)、[[薄膜波导]]、[[带状波导]]等三类。光导纤维的一个传输特性是衰减很小、频带很宽、抗电磁干扰,主要用于通信;光导纤维的另一传输特性是对外界的温度和压力等因素敏感,因而可制成光导纤维传感器,用于测量温度、压力、声场等物理量。 薄膜波导有三层介质,中层的薄膜厚度约1—10微米,上层(通常即为空气)和底层介质的折射率n0与n2都小于n1。当薄膜的宽度为有限尺寸时,称为带状波导。光波能量主要集中在W×d的矩形带状结构中。薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件,如[[激光器]]、[[调制器]]和[[光耦合器]]等。它们采用半[[导体]]薄膜工艺,适合于制成平面结构的集成光路(即光集成部件)。 ==传输特性== 光纤的传输衰减很小,频带很宽。例如,在1.5微米波段衰减可小到0.2分贝/公里,频带宽达108/公里数量级(多模光纤)或109赫/公里数量级(单模光纤),如此优良的性能是其他传输线难以达到的,因而光纤可用于大容量信号的远距离传输。薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与[[光纤]]类似。由于它们主要用来构成元件,对传输衰减与频带要求并不严格。严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难,故通常用标量近似法、射线法等近似解法分析其传输特性,包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等。 ==平面光波导材料== PLC光器件一般在六种材料上制作,它们是:[[铌酸锂]](LiNbO3)、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、[[二氧化硅]](SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator,绝缘体上硅)、[[聚合物]](Polymer)和[[玻璃]]。 铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导,波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层,以InGaAsP为芯层,以InP或者InP/空气为上包层,波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为衬底,以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层,波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作,称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气,波导结构为脊形。聚合物波导以[[硅片]]为称底,以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层,波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导,波导结构为扩散型。 [[File:光波导4.jpg|缩略图|光波导[https://ss0.bdstatic.com/70cFuHSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=2041863430,3698018218&fm=26&gp=0.jpg 原图链接][https://ss0.bdstatic.com/70cFuHSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=2041863430,3698018218&fm=26&gp=0.jpg 图片来源百度网]]] ==平面光波导工艺== 以上六种常用的PLC光波导材料中,InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作,[[铌酸锂波导]]和[[玻璃波导]]以[[离子]]扩散工艺制作,下面分别以[[二氧化硅波导]]和玻璃波导为例,介绍两类波导工艺。 二氧化硅光波导的制作工艺分为七步: 1)采用[[火焰]]水解法(FHD)或者[[化学气相]]淀积工艺(CVD),在硅片上生长一层SiO2,其中掺杂[[磷]]、[[硼离子]],作为波导下包层; 2)采用FHD或者CVD工艺,在下包层上再生长一层SiO2,作为波导芯层,其中掺杂[[锗离子]],获得需要的折射率差; 3)通过退火硬化工艺,使前面生长的两层SiO2变得致密均匀。 4)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来; 5)采用反应离子刻蚀(RIE)工艺,将非波导区域刻蚀掉; 6)去掉光刻胶,采用FHD或者CVD工艺,在波导芯层上再覆盖一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导上包层; 7)通过退火硬化工艺,使上包层SiO2变得致密均匀。 二氧化硅波导工艺中的几个关键点: 1)材料生长和退火硬化工艺,要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确,以达到设计的波导结构参数,尽量减少材料内部的残留应力,以降低波导的双折射效应; 2)RIE刻蚀工艺,要得到陡直且光滑的波导侧壁,以降低波导的散射损耗; 3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut,要控制Undercut量的稳定性,作为布版设计时的补偿依据。 玻璃光波导的制作工艺分为五步: 1)在玻璃基片上溅射一层铝,作为离子交换时的掩模层; 2)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来; 3)采用化学[[腐蚀]],将波导上部的[[铝膜]]去掉; 4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中,在适当的温度下进行离子交换,Ag+离子提升折射率,得到沟道型光波导; 5)对沟道型光波导施以[[电场]],将Ag+离子驱向玻璃基片深处,得到掩埋型玻璃光波导。 <ref>[孔繁敏, 李康, 郭毅峰,等. 平面光波导结构的FDTD分析[J]. 光子学报, 2004, 33(3):281-283.]</ref> ==平面光波导应用== 铌酸锂晶体具有良好的电光特性,在电光调制器中应用广泛。InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件,被视为光有源/无源器件集成的最好平台。SOI材料在MEMS器件中应用广泛,是光波导与[[MEMS]]混合集成的优良平台。聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍,应用在需要热光调制的动态器件中,可以大大降低器件功耗。玻璃波导具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗,而且成本低廉,是[[商用]]光分路器的主要材料。[[二氧化硅]]光波导具有良好的[[光学]]、[[电学]]、[[机械性]]能和热稳定性,被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。 <ref>[刘光灿, 白廷柱. 平面光波导器件及应用分析[J]. 光电技术应用, 2005, 20(3):45-48.]</ref> ==视频== ==DigiLens展示光波导制造流程及定制方案== {{#iDisplay:w0824e0367g | 560 | 390 | qq }} ==参考文献== {{Reflist}} [[Category:337 電學;電子學]]
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