平面介质光波导的种类和特点

光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。

平面波导型光器件，又称为光子集成器件。

其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点.按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。

LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。

除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。

铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。

并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。

该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。

调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。

硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。

其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。

该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。

基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。

聚合物光波导是近年来研究的热点。

该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。

采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。

包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导图4. 椭圆光波导光波导原理及器件简介摘要：20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。

20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学技术的蓬勃发展，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。

本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。

关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光1.引言1.1光波导的概念波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。

以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。

导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。

光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。

简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。

介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。

光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。

1.2光波导的分类按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。

按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。

线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。

2.光波导的原理简介一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。

然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。

最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。

包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导图4. 椭圆光波导光波导原理及器件简介摘要：20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。

20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学技术的蓬勃发展，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。

本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。

关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光1.引言1.1光波导的概念波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。

以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。

导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。

光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。

简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。

介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。

光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。

1.2光波导的分类按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。

按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。

线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。

2.光波导的原理简介一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。

然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。

最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。

平面介质光波导的种类和特点
平面介质光波导的种类有以下几种：
1.矩形波导：这种波导的截面形状为矩形，常用于集成光路的制作。

2.圆形波导：这种波导的截面为圆形，由于其环形对称性，具有较好的耦合和传输性能。

3.八边形波导：这种波导可以提高传输容量，在通信和传感领域得到广泛应用。

平面介质光波导的特点包括：
1.传播损耗小：由于介质中的损耗系数较低，平面介质光波导的传播损耗也比较小。

2.可控性强：平面介质光波导的结构可通过微纳加工技术进行制备，大小和形状都可以精确控制，同时还可以加工出复杂的光路结构。

3.传输距离短：由于平面介质光波导的截面较小，所以其传输距离较短，通常仅能在短距离内传输信息。

4.建立在平面上：平面介质光波导可以在平面固定介质上建立，可以与集成电路等器件进行集成，因此在集成光电子领域应用广泛。

第十一讲 平面介质波导（3学时）参考书 秦秉坤 孙雨南《介质光波导及其应用》1.波导源于微波。

传输及束缚。

平面波导、条形波导（带状波导）和圆柱形波导（光纤） 光线理论和波动理论（为主）。

波导截面很小（大与小），不可忽略波动性 Maxwell 方程组（适于所的波导），边界条件求解。

平面波导：一维边界条件。

条形波导：二维直角坐标。

光纤：二维柱坐标。

求解传播常数、模式、截止波长等 2.全反射数值孔径NA （入射、出射光的角度，与耦合效率有关）∆=-==-≈-=∆2sin 212221121212221n n n NA n n n n n n c θ波矢量k ：空间传播特性（E=E 0exp[j(ωt-kr )]） （纵向）传播常数β（模式传播速度、色散） 折射定律另一形式：（纵向）传播常数相同（n 1sin θ1= n 2sin θ2）。

β越大：越平行光轴)( )( )(0 1122不可能全反射条件折射βββ<<<<<k k k k 横向传播常数⎩⎨⎧>=<<=>-=>-=),:k (e 0):k ( e 0 0 2k x-02jk x 022222211衰减全反射：　传输：　传输ββββE E E E k k k k xx Gauss-Heisson 位移：类似量子力学势阱贯穿，光纤理论及耦合理论基础 3.平面介质波导d 为μm 量级，n 1>n 2>n 3。

全反射条件：0102 k n k n <<β)cos(111220211ϕβ+==→=-=hx A e A E h k n k jhx x x px x x e A E jp k n j k n k -=→=-=-=2120222220222ββzqx x x e A E jq k n j k n k -=→=-=-=312023*******ββp 和q 分别为两侧衬底的衰减系数。

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！。

1平面光波导技术光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。

平面波导型光器件，又称为光子集成器件。

其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点.按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。

LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。

除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。

铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。

并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。

该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。

调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。

硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。

其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE 多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。

该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。

基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。

聚合物光波导是近年来研究的热点。

该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。

采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。