7-几种波导--金属薄膜波导及应用

光波导的分类
1. 平面光波导呀，就好比是一条宽敞笔直的大道，各种光信息能在上面稳稳地传输。

比如说我们手机屏幕的显示，不就是平面光波导在默默发挥作用嘛！
2. 条形光波导呢，就像一条有着特定路线的轨道，让光沿着它精准前进。

像那些光纤通信里，可不就经常用到条形光波导嘛！
3. 圆柱光波导好像一个神奇的光通道，把光环绕着引导。

你想想看，那些特殊的光传感器里不就有它的身影吗？
4. 梯度折射率光波导挺有意思的，就如同给光设置了一个奇妙的魔法场。

在一些复杂的光学系统里，它可是大显身手呢！
5. 布拉格光波导呀，就像是给光安上了一把锁，控制着光的进出。

这不，在很多光学器件的制造中可少不了它！
6. 光子晶体光波导就像是给光打造了一个梦幻的宫殿，让光在这里自由穿梭又有规矩。

很多高科技的光学实验里都会用到它哦！
7. 纳米光波导那可是超级精细的存在，像微小世界里的引路人。

在纳米级的光学应用中，它的作用可关键啦！
8. 聚合物光波导呢，就像是一块有魔力的塑料，却能很好地引导光。

一些轻便的光学设备里，就经常能看到它的贡献呀！
我觉得光波导的这些分类真是各有各的神奇和用处，共同推动着光学领域的发展呀！。

波导中微波的模式波导是一种用来传输微波信号的导波结构，由金属壁面构成，中间空腔内充满介质。

在波导中，微波信号通过内部的反射而传播，产生各种模式。

不同模式具有不同的传播特性和分布特点，对于波导设计和应用都非常重要。

本文将介绍波导中常见的几种微波模式。

1.矩形波导模式：矩形波导是最常见的一种波导类型，由金属矩形管道组成。

在矩形波导中，有许多不同的模式，包括正交模式（TE模式）和纵向模式（TM模式）。

（1）TE模式：TE模式是横向电场模式，在矩形波导中，电场垂直于波导的横截面方向。

TE模式的特点是不含有磁场分量，只有电场分量。

TE模式分为TE10,TE20,TE01等不同的阶次。

（2）TM模式：TM模式是纵向磁场模式，在矩形波导中，磁场沿波导的横截面方向。

TM模式的特点是不含有电场分量，只有磁场分量。

TM模式也分为TM10,TM20,TM01等不同的阶次。

矩形波导模式的分布特点是波束在波导内壁上反射，形成驻波模式。

TE和TM模式可以共存，交替出现。

2.圆形波导模式：圆形波导是由金属圆管构成的波导结构。

圆形波导模式与矩形波导模式类似，也有TE模式和TM模式，但其阶次的确定方式略有不同。

（1）TE模式：TE模式是横向电场模式，电场沿着圆柱壁面方向。

TE 模式中的波动电场与壁面垂直，并且没有磁场分量。

（2）TM模式：TM模式是纵向磁场模式，磁场沿着圆柱壁面方向。

TM 模式中的波动磁场与壁面垂直，并且没有电场分量。

与矩形波导不同的是，圆形波导模式的阶次由径向模式数目（m）和角向模式数目（n）两个参数共同确定。

例如，TE11模式表示径向和角向模式都为13.表面波模式：除了矩形和圆形波导模式外，波导中还存在一种特殊的模式，称为表面波模式。

表面波模式是指波在波导壁面上沿着壁面传播的模式，不进一步传播到波导的深处。

表面波模式包括射线波、栅波和电磁波导模式。

射线波模式是指波束沿着表面传播，而不发散或收敛；栅波模式是指波束被壁面上的栅格结构所限制；电磁波导模式是指在电磁波导中，电磁波束是由电和磁场的耦合形成的。

波导相关知识（最全）一、什么是波导以及它的参数有哪些波导通常指的各种形状的空心金属波导管和表面波波导，由于前者传输的电磁波完全被限制在金属管内，称封闭波导；而后者引导的电磁波则被约束在波导结构的周围，又称开波导。

被应用于微波频率的传输线，在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。

因为波导是指它的端点间传递电磁波的任何线性结构。

所以波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布，每个电磁场的波型与对应的传播速度肯定也不一样。

会涉及到色散、传播时的损耗以及波导界面分布和它的特性阻抗。

接下来我们就从这四点去分析它的参数。

色散特性：色散特性表示波导纵向传播常数与频率的关系，常用平面上的曲线表示。

损耗：损耗是限制波导远距离传输电磁波的主要因素。

场分布：满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式，不同的模式有不同的场结构，它们都满足波导横截面的边界条件，可以独立存在。

它的两大类：电场没有纵向分量和磁场没有纵向分量。

特征阻抗：特征阻抗与传播常数有关。

在幅值上反映波导横向电场与横向磁场之比。

当不同波导连接时，特征阻抗越接近，连接处的反射越小，是量度波导连接处对电磁能反射大小的一个很有用的参量。

二、软波导与硬波导区别软波导是微波设备和馈线间起缓冲作用的传输线。

软波导内壁呈波纹结构，具有很好的柔软性，能承受复杂的弯曲、拉伸和压缩，因而被广泛用于微波设备和馈线之间的连接。

软波导的电气特性主要包括频率范围、驻波、衰减、平均功率、脉冲功率；物理机械性能主要包括弯曲半径、反复弯曲半径、波纹周期、伸缩性、充气压力、工作温度等。

下面我们来交接下软波导区别于硬波导哪些地方。

1)法兰：在许多安装和测试实验室应用中，往往很难找到具有完全合适的法兰、朝向，且设计**的硬波导结构，如通过定制，则需要等待数周至数月的交付期。

在设计、维修或更换部件等情形下，如此之长的交期必将引起不便。

简述金属圆形波导的三个常用模式及应用场合金属圆形波导是一种常用的电磁波导形式，具有良好的电磁屏蔽和传输性能，适用于高频和微波领域。

它的三个常用模式分别是TE模式、TM模式和TEM模式。

下面将对这三个模式及其应用场合进行详细介绍。

1.TE模式（横电模式）TE模式是金属圆形波导中最常见的模式之一，它是指在横向电场分量存在的情况下，在轴向磁场分量为零的模式。

在TE模式中，横向电场分量（Eθ）存在，而轴向磁场分量（Hz）为零。

TE模式可以分为多个模态，例如TE01模式、TE11模式等，不同的模式对应着不同的场分布形式和工作频率。

TE模式的应用场合主要涉及到高频电磁场的传输和射频电路的设计。

例如在微波、雷达和通信系统中，TE模式的波导可用于传输和导引高频信号。

此外，TE模式的波导还可以用于滤波器、功分器、变压器等高频电路中，其良好的传输特性为这些器件的高效工作提供了良好的支持。

2.TM模式（横磁模式）TM模式是金属圆形波导中另一个常见的模式，它是指在轴向磁场分量存在的情况下，在横向电场分量为零的模式。

在TM模式中，轴向磁场分量（Hz）存在，而横向电场分量（Eθ）为零。

TM模式也可以分为多个模态，如TM01模式、TM11模式等。

TM模式的应用场合主要涉及到微波感应加热、微波炉等高功率微波器件。

在这些设备中，TM模式的波导具有较好的电磁屏蔽性能，可以有效防止电磁波的泄漏和传输损耗，同时还能够集中能量，提高功率传输效率。

此外，TM模式的波导还可以用于高频振荡器、非线性器件等微波电子器件中，为它们的正常工作提供必要的电磁环境。

3.TEM模式（传输线模式）TEM模式是金属圆形波导中最特殊的模式，它是指在横向电场和轴向磁场同时存在的情况下，在波导内部电场和磁场都沿着波导轴向分布的模式。

在TEM模式中，横向电场和轴向磁场同时存在，并且它们的分布形式满足麦克斯韦方程组的解。

TEM模式的应用场合主要是短距离的高频信号传输和微波电路连接。

第4章 规则金属波导微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的传输线。

微波传输线的种类很多，比较常用的有平行双线、矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微带线等。

导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为以下三种波型(或模)：(1) 横磁波(TM 波)，又称电波(E 波)：0,0≠=z z E H (2) 横电波(TE 波)，又称磁波(H 波)：0,0≠=z z H E (3) 横电磁波(TEM 波)：0,0==z z H E其中横电磁波只存在于多导体系统中，而横磁波和横电波一般存在于单导体系统中，它们是色散波。

4-1电磁场理论基础一、导波概念: 1、思想（1） 导波思想：（2） 广义传输线思想：（3）本征模思想2、方法：波导应该采用具体措施（1）坐标匹配（2）分离变量法（3）边界确定常数二、导行波的概念及一般传输特性1、导行波的概念1）导行系统：用以约束或引导电磁波能量定向传输的结构。

其主要功能有二：(1)无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能量从一处传输至另一处，称这为馈线；(2)设计构成各种微波电路元件，如滤波器、阻抗变换器、定向耦合器等。

导行系统分类：按其上的导行波分为三类：(1)TEM或准TEM传输线，(2)封闭金属波导，(3)表面波波导（或称开波导）。

如书上图1.4-12）规则导行系统：无限长的笔直导行系统，其截面形状和尺寸，媒质分布情况，结构材料及边界条件沿轴向均不变化。

3）导行波的概念能量的全部或绝大部分受导行系统的导体或介质的边界约束，在有限横截面内沿确定方向（一般为轴向）传输的电磁波。

简单地说就是沿导行系统定向传输的电磁场波，简称为“导波”。

由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。

导行波的电场E 或磁场H 都是x 、y 、z 三个方向的函数。

导行波可分成以下三种类型：（1）横电磁波（TEM 波）：（Transverse Electronic and magnetic Wave ）各种传输线使电磁能量约束或限制在导体之间空间沿其轴向传播，其导行波是横电磁（TEM ）波或准TEM 波。

铁电薄膜的发展0807044234 赖辛铁电材料是这样一些晶体，它们在某温度范围具有自发极化，而且极化强度可以随外电场改变而改变。

作为一类重要的功能材料，铁电材料具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。

这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景。

铁电薄膜具有优越的电极化特性、热释电效应、介电效应、压电效应、电光效应高、解电系数和非线性光学性质等一系列特殊性质，可制成不同功能器件，随着铁电薄膜制备技术的发展，使现代微电子技术与铁电薄膜的多种功能相结合，必将开发出众多新型的功能材料，促进新兴技术的发展。

因此，铁电陶瓷薄膜的研究日益突出，已成为国际上新颖功能材料与器件的一个热点。

早在远古时期，人们就知道某些物质具有与温度有关的自发电偶极距，因为它们被加热时具有吸引其它轻小物体的能力。

1824年Brewster观察到许多矿石具有热释电性。

l880年约·居里和皮·居里发现当对样品施加应力时出现电极化的现象。

但是，早期发现的热释电体没有一个是铁电体。

在未经处理的铁电单晶中。

电畴的极化方向是杂乱的，晶体的净极化为零，热释电响应和压电响应也十分微小，这就是铁电体很晚才被发现的主要原因。

直到l920年，法国人valasek发现了罗息盐(酒石酸钾钠，NaKCH4O·4H2O)特异的介电性能，才掀开了自20 世纪50 年代人们开始研究铁电薄膜，至今已有几十年的历史，但由于受到薄膜制备技术的限制，研究一直进展缓慢。

直到20 世纪80 年代，薄膜制备技术取得了一系列的突破，许多物理和化学方法用于制备铁电薄膜，扫除了铁电材料与半导体工艺等技术障碍，因而铁电薄膜材料得到了飞速的发展。

利用铁电氧化物薄膜所具有的介电、铁电、压电、电致伸缩、热电、光学、电光等性能，可以制得很多种类的铁电薄膜器件，这些铁电薄膜器件都具有十分诱人的应用前景和潜在的巨大市场。

薄膜波导对于薄膜波导的研究，是伴随着集成光学的发展进行着的。

集成光学类似于半导体技术中的集成电路，把一些光学元件，如发光元件、光放大元件、光传输元件、光耦合元件和接收元件等，以薄膜形式集成在同一衬底上，构成了一个具有独立功能的微型光学系统。

这种集成光路具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗小等许多优点。

1 薄膜波导传输光的基本原理薄膜波导如图2-32所示。

它实际上是沉积在衬底（G n ）上的一层折射率为n 、厚度约为1-10m μ的薄膜，其上层为覆盖层，可以是空气或其他介质，折射率为0n ，且有0n n >、G n 。

若覆盖层和衬底的折射率相同，则称为对称波导；若它们的折射率不同，则称为非对称波导。

图 2-32 薄膜波导假设在薄膜波导中传输的是平面光波，则可用光线描述它的传播规律。

光在折射率不同的介质界面上将发生反射和折射，当0n n >、G n n >时，会发生全反射现象，产生全反射的条件是入射角大于临界角。

相应薄膜波导上、下表面的临界角分别为 nn C 0arcsin =上θ （2.3-45） 和 nn G C arcsin =下θ （2.3-46） 光在薄膜波导中传播的基本原理就是这种界面全反射。

从几何光学的角度来看，光在薄膜内沿着“Z ”字形路径，向着z 方向传播。

2 薄膜波导的模式特性1）模式方程假设薄膜在y 、z 方向上无限延伸，平面光波在薄膜中的入射面为xOz 平面，它在薄膜上、下表面之间来回反射。

这个平面光波可分解为沿波导方向（z 方向）和沿横向（x 方向）进行的两个分量，相应的传播常数为i 0sin θβn k =和i 0cos θγn k =，并且满足()2220γβ+=n k ，这里0k 是光波在真空中的波数。

于是，对于顺着传播常数为β、沿z 方向行进的波运动的观察着来说，如果能观察到按“Z ”字形来回反射行进的平面波，则这个波的存在就必然满足横向往返干涉加强的条件，即在上、下界面间往返一周的相位变化为π2的整数倍，可表示为 πϕϕθm nh k 2cos 221i 0=++ m=0,1,2,… (2.3-47) 该式即是光能够在薄膜波导中传播所必须满足的条件，称为模式方程，它是波导光学中的基本方程。

一、什么是波导以及它的参数有哪些波导通常指的各种形状的空心金属波导管和表面波波导，由于前者传输的电磁波完全被限制在金属管内，称封闭波导；而后者引导的电磁波则被约束在波导结构的周围，又称开波导。

被应用于微波频率的传输线，在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。

因为波导是指它的端点间传递电磁波的任何线性结构。

所以波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布，每个电磁场的波型与对应的传播速度肯定也不一样。

会涉及到色散、传播时的损耗以及波导界面分布和它的特性阻抗。

接下来我们就从这四点去分析它的参数。

色散特性：色散特性表示波导纵向传播常数与频率的关系，常用平面上的曲线表示。

损耗：损耗是限制波导远距离传输电磁波的主要因素。

场分布：满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式，不同的模式有不同的场结构，它们都满足波导横截面的边界条件，可以独立存在。

它的两大类：电场没有纵向分量和磁场没有纵向分量。

特征阻抗：特征阻抗与传播常数有关。

在幅值上反映波导横向电场与横向磁场之比。

当不同波导连接时，特征阻抗越接近，连接处的反射越小，是量度波导连接处对电磁能反射大小的一个很有用的参量。

二、软波导与硬波导区别软波导是微波设备和馈线间起缓冲作用的传输线。

软波导内壁呈波纹结构，具有很好的柔软性，能承受复杂的弯曲、拉伸和压缩，因而被广泛用于微波设备和馈线之间的连接。

软波导的电气特性主要包括频率范围、驻波、衰减、平均功率、脉冲功率；物理机械性能主要包括弯曲半径、反复弯曲半径、波纹周期、伸缩性、充气压力、工作温度等。

下面我们来交接下软波导区别于硬波导哪些地方。

1)法兰：在许多安装和测试实验室应用中，往往很难找到具有完全合适的法兰、朝向，且设计**的硬波导结构，如通过定制，则需要等待数周至数月的交付期。

在设计、维修或更换部件等情形下，如此之长的交期必将引起不便。

2)弯曲性：某些型号的软波导可在宽面方向上弯曲，另一些型号则可在窄面方向上弯曲，还有一些在宽面和窄面两方向上均可弯曲。

波导的原理
《波导的原理》
一、什么是波导？
波导是一种用来传播电磁波的媒质，也可以把它看作是一种特殊结构的电磁器件，它由电磁材料组成，在某一频段内可以传播电磁波，并用于发射或接受信号。

二、波导的类型
波导可以分为以下几类：
1、电缆导波器：一种能将极低频的信号由电缆传输的器件，可以用来连线，它的传输线多为同轴电缆。

2、同轴电缆：一种由内导体和外导体组成的电缆，其特征是内外导体的形状相同，直径相同，径向结构对称，平行传输。

3、天线导波器：一种用于发射或接受电磁波的器件，它的传输线多为天线，也可以是电缆，用于把分布在空间中的电磁波传输到接收器或发射器。

三、波导的特性
波导的特性可以用来估计它的传输性能，这是因为它可以定义波导的耦合性能和延时性能，包括但不限于：
1、传播常数：它可以决定波导的信号传播速度，分为宏观传播常数和微观传播常数。

2、折射率：它可以决定信号在波导中的衰减，其大小取决于波导的结构特性。

3、损耗系数：损耗系数可以决定波导中信号的衰减，损耗系数越大，衰减越严重。

4、延时性：延时性决定了信号在波导中传播所需的时间，具体取决于波导的长度。

四、波导的应用
波导有着广泛的应用，如电磁链路、电磁振荡器、电磁放大器、电路传输器等，它还可以用于无线电传输系统，可以更有效地传输数据和信号。

铁电薄膜及其应用叶锄学隈,第17第2国外建材科技辐衫V o1.17N0.2Jun.1996铁电薄膜及其应用继2/多(材料科学与工程学院相摘要:本文简要地舟鳍了近年采MRS国斥论文架和姜池文献所担导的兰于镘电薄膜的制备技术,薄虞材料厦其开发应用方面的发展概况.展示出l挂电薄膜良奸的发展前景.关键词:驶电薄膜制备技术辐射;制备技采1引言薄膜科学与技术是新材料发展前景最活跃的领域之一.在衬底材料上镀膜可起到三方面作用:a)优化表面性能;b)进行微细加工;c)产生新的功能特性.相对于体材料,薄膜更具有灵敏度高,稳定性好的优点.薄膜材料包括无机膜(金属膜,无机陶瓷膜)和有机高分子膜.以及复合膜(金属与陶瓷,陶瓷与高聚物,陶瓷与陶瓷等).并且,随着薄膜基础理论研究的深人,薄膜制备技术的进步和新薄膜器件的开发.新型的高性能的或者多功能的薄膜材料将得到长足的发展.例如多层膜材料,c薄膜材料,金刚石和氮化碳超硬薄膜材料,包括铁.薄膜在内的各种功能薄膜材料,LB膜材料等等,是近几年来国内外迅速发展的薄膜材料铁电薄膜包括铁电陶瓷(多晶),铁电晶体(单晶)和铁电非晶态薄膜,是一类重要的多功能的薄膜豺料.它们具有铁电,压电,热电,介电,电光,光折变和非线性光学等一系列优￡性能,综合利用这些特性可以制成各种功能器件,诸如集成铁电存储器,压电传感器超声传感器,红外撩测器,激光检潮器,电光凋制开关,光波导器件,光存贮与显示,图像存贮与显光变频器,声表面渡器件,微驱动器,微马达等.可广泛应用于微电子学,光电子学,声电子学,集成光学,微机械学等诸多领域因此,铁电薄膜已成为科技发展的一个热点.近年来,许多大型国际会议都设有专题交流美于这方面的研究成果,如每年召开二次的MRS会议.本文主要根据近五年来”MRS会议”论文集所提供的资料,并参考其他文献资料.扼要地阐述铁电薄膜材料的特性,应用,制备技术及其发展前景.2铁电薄膜材料主要性能及其应用铁电材料属于无中心对称的低对称性材料,具有铁电性铁电性可以有许多应用,以计算机的存储器为例,早期计算机的存浩器是利用铁磁性材料所具有的磁滞回线来存贮信息.同样道理这样的存储器也可以利用铁电性材料所具有的电滞回线来存贮信息收稿日期:I996—03—29.盘葆卉:女一1943年生?阱师?武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院(430070)国外建材科技1996年6月对于同时具有多种特性的铁电材料,其重要意义不仅仅限于铁电性,介电性,而是与其他物理现象的相互作用.例如,由铁电体贮存的电能:a)通过压电效应,电致伸缩效应,压电一导电性等,可以和机械能相关联;b)通过热电效应可以和热能相关联;c)通过光致电导性,光学的介电常数等可以和光相关联.又如由铁电体贮存的机械能通过光弹性效应可以和光相关联等等.由此,可以开发出各种各样的功能材料若是把铁电材料制成薄膜,有可能得到更好的特性,包括具有很高的介电常数和耐压强度;具有很高的自发极化强度;具有可随外加电场反转的铁电畴;具有较低的矫顽电场;具有很高的抗辐射能力;以及铁电薄膜制备技术可以和大规模半导体集成技术相兼容等等,从而有利于制备出性能优异的各种器件.下面就几种典型的铁电薄膜材料及其应用作简单介绍;2.1锆钛酸铅铁电薄膜.Pb(ZrTi一x)Os(简称PZT)是PbTiO3铁电体和PbZrO3反铁电体的固溶体.PZT铁电薄膜是具有高介电常数的铁电材料,它的组成可在很宽的范围内变动,最佳的组成可以得到最好的介电和铁电性.这种薄膜材料集铁电,压电,热电和电光等性能于一体,可广泛应用于具有高存储密度的抗辐射损伤的非挥发性随机存储器,铁电场效应管,图像存储器,红外传感器,压电传感器,微执行器,集成电光器,铁电电容器等器件中.2.2镧掺杂锆钛酸铅铁电薄膜Pb.oLⅢ(Zr/0.Ti彻)Oa(简称PLZT)是在PZT基础上添加La改性的铁电薄膜材料.添加La主要是改善薄膜的电光特性,使之具有更高的电光系数,因而在执行某一功能动作时可以有较低的驱动电压.组成不同.PLZT铁电薄膜随外加电场的改变,将表现出不同的双折射行为”记忆”;”线性或一次电光效应”和”二次电光效应”,因而使薄膜具有不同的性能参数,如高低不同的矫顽场;不同形状的电滞回线,不同的压电系数和光电系数等.这种薄膜材料集铁电,压电,电光,介电,热电等性能于一体,广泛应用于高速随机存储的记忆器件,铁电动态存储器快速光电开关,张弛振荡器,非挥发性光学存储器,全内反光开关等器件中.2.3钛酸铅镧铁电薄膜(Pa,La)TiO~(称简PL T)铁电薄膜材料具有优异的铁电,热电,电光,介电和非线性光学等性质,可望在红外探测器,光波导,全内反光开关,电光调制开关,超声传感器等光电子学及其他高技术领域中获得广泛应用.2.4钛酸铅铁电薄膜PbTiOa是一种具有钙钛矿型结构的铁电材料,它有较小的介电常数,较大的白发极化,较小的矫顽场强和较高的居里温度,是一种较理想的制备微电子学,光电子学和声电子学器件的候选材料,其潜在的应用包括红外探测器,红外光场效应管,二维图象传感器,非挥发性铁电存储器,空阔光调制器,声表面波器件,大容量电容器等.2.5钛酸钡铁电薄膜B~TiO5具有钙钛矿型结构?是一种研究最早的铁电压电材料.BaTiO,铁电薄膜具有压电,铁电,介电,热电和正温度系数特性,利用上述特性,可应用于红外探测器,铁电存储器,二次谐波振荡,各种热敏元件,太容量电容器等.目前研究较多的是用脉冲激光淀积或有机化学气相沉积(MocVD)方法制备BaTiO外延膜和BaT[Oa异质外延膜,可望应用于高速随机存储记忆器件,快速光电开关等器件中.第17卷第2期金葆卉:铁电薄膜及其应用2.6铌酸锂铁电薄膜不具钙钛矿型结构的LiNbO作为非常重要的铁电材料具有优异的压电,铁电,电光和非线性光学性质,使其在电学,光学,声学上存在潜在的应用.例如,利用LiNbOa晶体的电气光学效应和光弹性效性,可望把这种材料用于光开关,光闸,光变频,光记忆,图像显示等器件中.着制成薄膜,就可以实现低电压操作,并用于光学集成电路元件等.又如在薄膜声表面波器件中,可用LiNbO晶体生产TV?VIF滤波器.值得指出的是:LiNbO;铁电薄膜材料最突出的特性是关于它的光波导性能.制备优质的LiNbOs非线性薄膜光波导,能与si半导体电路相兼容,可望开发出一系列新型集成光学器件.更何况这类材料一般具有介电常数小,相变温度高,机电耦台系数高,电光效应显着等特点,大部分光调制,光开关等光功能元件都可用LiNbO晶体制作.这些光功能元件谓之波导性元件,如波导型光调制器,波导型光开关等等.2,7其他铁电薄膜材料在1991~1995年间.MRS国际会议论文集上报导的其他铁电薄膜材料有:srTiO(Ba.Sr)TiO,BiTOlz,(Sr,Bi)TiOs,非晶铁电氧化物薄膜,(Pb,Ba)(Zr,Ti,Nb)O,PNZT,(BaNa)NbO3,BiSrTazOg,LaSrn5CoO3以及(Pb,Sc)TiO3等等;这些铁电薄膜材料各自分别在微电子学,光电子学,声电子学,铁电集成学,传感器,微机槭学等诸多领域存在潜在的应用.3铁电薄膜的制备技术Et前,已经发展了多种铁电薄膜的制备技术.可以说,几乎所有的薄膜生长方法都在实验室里被用来生长铁电薄膜.据1991~1995年间MRS国际会议”论文集上的报导,这些薄膜生长方法如下:3,1物理气相沉积(PVD)a)溅射(射频溅射,直流溅射,磁控溅射,反应溅射,多靶溅射).b)蒸发(电子束,电阻,高频,闪蒸,分子束外延).c)离子束技术(离子束溅射沉积,离子束辅助沉积等).d)脉冲激光淀积,激光闪蒸.3.2化学气相沉积(CVD)a)金属有机化学气相沉积(MOCVD)b)等离子增强化学气相沉积(PECVD)c)低压化学气相沉积(LPCVD)d)化学束沉积e)微波电子回旋等离子体化学气相沉积(ECR--PECVD)3.3化学溶剂法a)溶胶一凝胶(SolGe1)b)金属有机溶解(MOD)3.4溶料溶解法液相外延(LEP)国外建材科技1996年6月3.5其它方法激光分子束外延(LaserMBE);I,PMOCVD;Flash—MOCVD)PE—MOCVD等方法.在上述诸方法中,目前采用最多的铁电薄膜制备技术是激光淀积法,MOCVD法,s.Gel法和离子束辅助沉积4铁电薄膜的发展前景首先,从薄膜科学与技术考虑,作为特殊形态材料的薄膜,具有许多奇特的特性,已成为微电子,光电子,声电子,大规模集成电路,传感器,光学(特别是非线性光学)微机械等技术乩基础.并广泛渗透到当代科研的各个领域.其次,从材料方面考虑,铁电材料是一类重要的介电材料.一般说来,除具有铁电性外,还可能同时具有压电,介电,热电,非线性光学等特性.因此,两者相结合,即铁电材料薄膜化,由薄膜的结构因素和尺寸效应,会产生许多大块材料所不具备的新特性,新功能,或者材料的性质得到改善.例如,用蒸镀法制备BaTiOa薄膜,膜厚大于0.1m时,保持块状材料的性能}膜厚约为0.04pm时,显示出铁电开关特性;在0.023~m时,显示出介电异常;膜厚为0.o1m时,介电异常消失.又如,制备优质的I,iN—bO;光波导薄膜,其传输损耗系数可降低到0.5dB/cm以下,等等.材料性能的改善,或产生新特性,新功能,这些都为铁电材料的开发应用蕴藏着极大的潜力.今天的铁电薄膜就薄膜制备技术,薄膜材料.和所涉及的铁电薄膜理论基础三个方面,无论从广度和深度上都远非十年前所比.关于铁电薄膜的发展前景,概述近五年来”MRS国际会议论文上所报导的资料.其特点是:(1)成膜技术制备铁电薄膜,从工艺上讲,各种成膜方法都在探讨,并随着薄膜科学与技术的发展而不断改进.a)采用新的成膜方法居多.例如,较多用脉冲激光沉积,金属有机化学气相沉积等新技术制备PZT,PLZT,PL T,BaTiOs,PbTiOa,(Ba,Sr)平衡状态下不存在的物质,并可以在较低的温度下进行物质的台成.b)随着科学技术的发展,各种特殊用途的器件对铁电薄膜材料提出了各种各样的要求.薄膜厚度可从几十埃到几十微米;从膜的结构上讲,有多晶的,单晶的,非晶态的,超晶格的,按特定方向取向的,外延生长的等.上述两点表明+实际应用要求铁电薄膜材料多样化,且性能技术参数高.薄膜科学与技术的迅速发展为满足这些要求提供了保证.c)多种多样的铁电薄膜材料可在铁电存储器,红外探测器,传感器,光调制器,光开关,第17卷第2期盒穰卉:铁电薄膜及其应用声表面波器件非线性光波导器等诸多器件得到应用目前,在诸多应用中,发展最快,应用落实,指标明确的是铁电存储器.(3)薄膜科学目前,铁电薄膜技术和薄膜材料所涉及的基础理论也正在迅速发展中.铁电薄膜理论除涉及真空技术和材料科学之外,还涉及等离子体物理,离子溅射,表面科学,薄膜生长理论,半导体物理,电磁理论,电子光学,激光技术,离子束技术,大规模集成电路技术等十分广泛的学科领域.这里,值得注意的是巳形成了”集成铁电学”这一新兴的重要学科,显示出当前铁电薄膜理论水平和研究进展.总而言之,薄膜技术,薄膜材料,薄膜理论相结合推动了铁电薄膜产品的全方位开发和应用,铁电薄膜在微电子学,光电子学,声电子学,非线性光学领域内所起的作用也越来越大.并逐步向集成光学,微机械学等技术领域扩展,展示出良好的发展前景.参考文献1A.I.Kingon.E.R.Myers.B.Tuttle.FerroelectrieThinFilms.In:MRS1991F allMeetingSymposiumProceedings.1992,(1)i2432J.Kanicki,R.B.Devine.AmorphousInsulatingThinFilms,In:MRS1992F allMeetingSymposiumProceedings.1993.(1):2843S.B.Desu.D.B.BeachW.Wesse]s.Metal—OrganicChemicalV aporDepos itionofElec—tronieCeramics.In:MRS1993FailMeetingSymposiumProceedings.1994, 1:3354R.Ramesh,D,K.Fork,J.M.Phillpsets1.Epitaxia10xideThinFilmsandHet erostruc—lures?In:MRS1994SpringMeetingSymposiumProceedings,1994,1:341 5H.J.FrostP.A.Ross,M.A.Porkereta1.P0IycrystaIIineThinFilms:Structur e.Texture,propertiseandApplications.InMRS1995SpringMeetingSymposium Proceed—ings.1995,1:4036三井利夫等着.倪冠军等译.铁电物理学导论.北京:科学出版社,19837田民波等编译.薄膜科学与技术手册(上,下册).北京:机械工业出版社,19918闻立时.薄膜材料与薄膜技术.1994秋季中国材料研究套会议论文集(V o1.2,第一分册)北京化学工业出版社,1995。

薄膜波导对于薄膜波导的研究，是伴随着集成光学的发展进行着的。

集成光学类似于半导体技术中的集成电路，把一些光学元件，如发光元件、光放大元件、光传输元件、光耦合元件和接收元件等，以薄膜形式集成在同一衬底上，构成了一个具有独立功能的微型光学系统。

这种集成光路具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗小等许多优点。

1 薄膜波导传输光的基本原理薄膜波导如图2-32所示。

它实际上是沉积在衬底（G n ）上的一层折射率为n 、厚度约为1-10m μ的薄膜，其上层为覆盖层，可以是空气或其他介质，折射率为0n ，且有0n n >、G n 。

若覆盖层和衬底的折射率相同，则称为对称波导；若它们的折射率不同，则称为非对称波导。

图 2-32 薄膜波导假设在薄膜波导中传输的是平面光波，则可用光线描述它的传播规律。

光在折射率不同的介质界面上将发生反射和折射，当0n n >、G n n >时，会发生全反射现象，产生全反射的条件是入射角大于临界角。

相应薄膜波导上、下表面的临界角分别为 nn C 0arcsin =上θ （2.3-45） 和 nn G C arcsin =下θ （2.3-46） 光在薄膜波导中传播的基本原理就是这种界面全反射。

从几何光学的角度来看，光在薄膜内沿着“Z ”字形路径，向着z 方向传播。

2 薄膜波导的模式特性1）模式方程假设薄膜在y 、z 方向上无限延伸，平面光波在薄膜中的入射面为xOz 平面，它在薄膜上、下表面之间来回反射。

这个平面光波可分解为沿波导方向（z 方向）和沿横向（x 方向）进行的两个分量，相应的传播常数为i 0sin θβn k =和i 0cos θγn k =，并且满足()2220γβ+=n k ，这里0k 是光波在真空中的波数。

于是，对于顺着传播常数为β、沿z 方向行进的波运动的观察着来说，如果能观察到按“Z ”字形来回反射行进的平面波，则这个波的存在就必然满足横向往返干涉加强的条件，即在上、下界面间往返一周的相位变化为π2的整数倍，可表示为 πϕϕθm nh k 2cos 221i 0=++ m=0,1,2,… (2.3-47) 该式即是光能够在薄膜波导中传播所必须满足的条件，称为模式方程，它是波导光学中的基本方程。

金属圆形波导的三个常用模式金属圆形波导是一种常见的波导类型，适用于微波、射频和毫米波频段的传输和传播。

它具有结构简单、损耗小、波导特性稳定等优点，因此在通信、雷达、微波炉等领域被广泛应用。

在金属圆形波导中，存在着多个不同的传播模式，其中较为常见的有TE模、TM模和HE模。

下面将分别介绍这三个模式的特点和应用。

TE模（横电场模）是指横向电场分量存在且磁场分量沿波导轴向传播的模式。

在TE模中，波导截面内的电场分布只与截面上各个点的径向分量有关，与截面的平行分量无关。

TE模是最简单的传播模式之一，其特点是电场传输速度快，并且由于电场与波导壁面间的无约束接触，电场分布在波导截面内变化较大，故存在较大的辐射损耗。

TE模具有较宽的带宽，适用于高速传输和频率较宽的通信系统，如雷达系统和卫星通信系统。

TM模（横磁场模）是指横向磁场分量存在且电场分量沿波导轴向传播的模式。

在TM模中，波导截面内的磁场分布只与截面上各个点的径向分量有关，与截面的平行分量无关。

TM模同样也是一种常见的传播模式，在微波技术领域得到广泛应用。

与TE模不同的是，TM模具有较小的辐射损耗，磁场分布在波导截面内变化较小，所以在波导内传播的能量损耗较低。

TM模适用于要求频率稳定性高，对传输损耗要求较低的应用场景，例如在天线设计、合成孔径雷达和医学影像等领域有着重要的应用。

HE模（横波电场模）是指横向电场分量存在且无磁场分量的模式。

在HE模中，电场分布在截面内变化较小，与截面上各个点的径向分量和平行分量均相关。

HE模是一种常见的模式，在电子学领域和微波技术中得到广泛应用。

HE模的特点是电场分布在波导中变化小，不会伴随着较大的辐射损耗。

HE模适用于要求低损耗传输和频率稳定性的应用场景，如天线设计、微波电路设计和高频仪器等领域。

总结起来，金属圆形波导的三个常用模式分别是TE模、TM模和HE 模。

TE模是横电场模式，具有较大的辐射损耗，适用于高速传输和频率较宽的通信系统；TM模是横磁场模式，具有较小的辐射损耗，适用于频率稳定性要求高的应用场景；HE模是横波电场模式，具有较小的变化和辐射损耗，适用于低损耗传输和频率稳定性要求的应用场景。

波导微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。

在微波波段，随着工作频率的升高，导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，而必须改用微波传输线。

常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线，本章主要讲的是矩形波导管，波导是指能够引导电磁波沿一定方向传输能量的传输线。

定义波导（W A VEGUIDE），用来定向引导电磁波的结构通常，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围，又称开波导。

当无线电波频率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。

优点波导管的优点是导体损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射损耗；结构简单，易于制造。

波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解，与普通传输线不同，波导管里不能传输TEM模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。

表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在。

其传播模式为表面波。

在毫米波与亚毫米波波段，因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。

这时使用表面波波导，除具有良好传输性外，主要优点是结构简单，制作容易，可具有集成电路需要的平面结构。

表面波波导的主要形式有：介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。

根据电磁场的普遍规律——Maxwell方程组或由它导出的波动方程以及具体波导的边界条件，可以严格求解出只有两大类波能够在矩形波导中传播：①横电波又称为磁波，简写为TE波或H波，磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量。

②横磁波又称为电波，简写为TM波或E波，电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。