什么是波导？

波导是一种用于将电磁波从一个位置引导到另一个位置的专用结构，通常用于连接两个或多个元件，以进行信息传输。波导的横截面通常为矩形或圆形，可实现低损耗的微波、无线电波和光波（光学波导）传输。

许多因素会影响波导传播不同电磁波的方式，包括：

• 波导形状
• 波导尺寸
• 所用材料的特性，例如刚度或柔性

波导常会与同轴电缆混淆，因为这两者都是用于引导电磁波的传输线。然而，波导的结构和传播方法不同于同轴电缆。同轴电缆通过由绝缘材料隔开的两个导体传播电磁波；而在波导中，电磁波是在一种支持不同传播“模态”的空腔结构内部传播。光学波导利用两种材料的折射率差异，来确保光波传播到预期目标位置。微波等应用所采用的非光学波导，通过阻抗或材料电导率来约束并引导电磁辐射的传播。

在这篇文章中，我们深入探讨了何为波导以及当今各种类型的波导的应用方式，其中重点介绍光学波导。

光学波导以不同的光频率（通常在红外范围内）进行光传输，通常用于路由或控制光信号。

光通信所用的光纤，是最常见的光波导类型。光纤通常由硅玻璃制成，具有高折射率纤芯和低折射率包层，以便沿光纤引导光。

平面光学波导则不怎么常见。这些波导被称为片上波导，因为光学波导直接在半导体芯片上制成，例如：绝缘体上的硅、砷化镓、铌酸锂或磷化铟芯片等。片上波导可能有多种几何结构，包括肋形、条形、微带、负载型、倒肋和光子晶体等。

光子晶体是光波导的一个新兴领域，因为它们的行为与其它波导不同。其中，光不是通过波导的折射率来引导，而是通过光子晶体的结构图案来引导，因为光不能穿过晶体本身。晶体的光子带隙会阻挡光的某些波长，类似于半导体中的电子带隙。光子晶体实际上是“光学半导体”。

波导的类型有很多，包括用于引导微波频率、射频（RF）及其它电磁波的光学波导与波导。

圆形波导

圆形波导是空心管，主要用于以横电（TE）模式和横磁（TM）模式引导微波和无线电波。其中，波沿圆形路径引导，通常通过金属波导实现。

这类波导通常用于无线通信、微波回程以及雷达应用。

共面波导

共面波导为矩形波导，其导体带有中央导电带和两个接地平面，所有导体都位于基板材料（如印刷电路板或PCB）的同一侧。共面波导用于引导微波器件、毫米波（mmWave）电路和单片微波集成电路（MMIC）中的微波。

柔性波导

柔性波导与其它波导不同，它们可以扭曲和弯曲，以适应更多刚性波导无法达到的受限空间。柔性波导由铜、黄铜或铝制成，外层柔软，可能包括波纹和螺旋结构，以实现柔软性。但是，这些特性也可能会引入电阻和信号衰减。

柔性波导主要有三种类型：可扭转型、可弯曲型和可弯曲可扭转型，它们主要用于通信和航空航天领域的微波传输应用。

零模波导

零模波导（ZMW）是光学波导，可将光导入低于光波长的小体积中。这种波导通过纳米级结构（例如可减少光学观测体积的微小孔径）来实现这种约束。

与其他光学波导不同，ZMW不支持传播光学模式，而是用于等离子体、量子光学以及单分子或荧光成像。

介电波导

介电波导是用于构建光纤和片上波导的圆柱形波导。介电波导具有高折射率纤芯和低折射率包层。光波利用全内反射原理传播：当光试图从光密介质进入光疏介质时，它会在材料界面被反射回光密介质。因此，导波会被限制在光纤芯中，从而实现损耗尽可能低的远程传输。介电波导广泛应用于光通信和集成光学器件中。

所有波导是通过“模态（Modes）”来传输电磁波的。在光学波导中，模态是指光沿波导传播时所呈现的场分布形态。波导越小，传播模态越少；波导越大，则支持更多的传播模态。对于光学模态，保持波导全程的横截面一致至关重要，因为任何横截面变化都会引起散射，从而导致波导中的衰减（信号损耗）。

横电模和横磁模

横电（TE）模和横磁（TM）模是用于传播微波的两种常见的波导模态。将两者结合在一起的模态，被称为TEM模态。这些模态也可能会出现在光学波导中。

TE模和TM模在传播过程中均由电磁场的方向定义。电磁场是在给定时间指向特定方向的矢量。在TE模下，电场与波传播方向（水平或垂直）是垂直（呈横向）的。在TM模下，磁场与传播方向是呈横向的。光学波导可以使用准TE模（quasi-TE）和准TM模（quasi-TM），这是对TE模或TM模的近似，其与微波或无线电波传播中的TE/TM模不同。

单模光纤与多模光纤的对比

在光纤波导中，光可以以单模传播，也可以按多模传播。单模光纤的纤芯非常小，而多模光纤的纤芯则更大。单模光纤较小的纤芯只支持有限的传播模，因此其被广泛应用于硅光子学和长距离光通信，实现光（以及其承载信息）的远程高效传输。但是，由于纤芯较小，光线很难进入波导，需要专用激光器和光学组件让光以脉冲的形式进入光纤。

多模光纤不适合长距离通信，因为存在多种模态，会导致光脉冲以不同的速度扩展传播。多模光纤更适合短距离通信网络，如局域网（LAN）和数据中心等。

波导（光学和非光学）的用途很多，包括：

• 光通信（电信）
• 光子集成电路（PIC）
• 光学传感器
• 激光
• 干涉仪
• 雷达
• 微波和RF通信
• 印刷电路板（PCB）
• 光学电路
• 光发射器
• 太赫兹（THz）通信
• 增强现实（AR）与虚拟现实（VR）等混合现实系统使用的波导（称为光波导）较大，与常规波导截然不同

光通信

光通信是最大的商业应用领域之一，其使用介电波导将光从一个位置引导至另一个位置，以在系统间传输信息。单模光纤用于长距离通信，而多模光纤则用于短距离通信。

半导体激光产生光脉冲，将编码信息传输至光纤。信息被编码到光信号上，要么是通过调制激光器的驱动电流，要么使用与激光器分离的外部调制器。光波随后沿光纤传播，直至波导接收器（包含一个光电二极管和一个跨阻放大器）接收为止。这些接收器将光纤的高频光信号处理为电信号，以实现数据传输。

光学波导的材料属性非常重要。除了适当的折射率外，材料的吸收特性也很重要，因为过高的光吸收会导致信号损耗。因此，波导是透明的，由玻璃或透明塑料制成。不透明的包层材料会吸收过多的光，并会导致光纤内发生过度衰减。

虽然大多数光通信（如电信）都使用波导，但并非所有光通信技术都需要波导。自由空间光（FSO）通信就是一个重要示例，它在空气（即自由空间）中传播光信号，以在发射器和接收器之间传输数据。

光子集成电路

此外，光学波导还可在光子集成电路（PIC）中用作电路的“导线”，它们相当于电子集成电路（IC）中的常规导线，但其传输信号的方式是光，而非电子。波导可用于连接光子集成电路（PIC）上的不同组件。

PIC通常使用透镜等组件与光纤耦合，以改变光的聚焦，因为光纤的模场尺寸比PIC大得多。因此，可将光聚焦到较小的范围内，以降低损耗。

使用波导的PIC组件有很多，其中包括：

• 分光器：将单个波导的光波分成两个波导
• 耦合器：将来自两个不同波导的光波耦合为单个波导
• 环形谐振器：由圆形或椭圆形组成，其可用作PIC上的滤波器或调制器
• 螺旋波导：延迟PIC上的信号
• 光栅耦合器：将光垂直耦合到PIC与光纤，可以输入也可以输出光信号
• 光开关：改变波导中的折射率，以控制光信号，并在PIC中引导光信号的路径

光学传感器

光学波导广泛用于光学传感器。在化学传感中，气体或液体分子的存在会引起可被检测的信号变化。分子会与波导结合或对波导造成干扰，从而改变波导的折射率。随后可对此进行测量和量化，以确定所需关注的化学物质。使用光学波导的其它常见应用包括光探测与测距（激光雷达）、视觉传感器和光纤传感器等。

光学波导的制备技术包括：

• 光刻
• 激光写入
• 薄膜沉积
• 光纤拉制
• 直写技术

对于片上光学波导，半导体芯片采用传统IC芯片的半导体制造工艺制成的。这包括：

• 光刻
• 等离子体蚀刻
• 反应离子蚀刻（RIE）
• 化学气相沉积（CVD）
• 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 物理气相沉积（PVD）
• 原子层沉积（ALD）
• 分子束外延（MBE）

制造工艺的准确性至关重要，因为波导中的表面粗糙度可能会导致散射和光损耗。与所有半导体一样，制造工艺和环境对于保持高灵敏度以及防止污染至关重要。

可以使用模求解器对波导进行仿真，并预测其传播模式。Ansys Lumerical产品系列可帮助工程师进行光学波导仿真，而Ansys HFSS高频电磁仿真软件则可用于射频和微波仿真。仿真可以帮助工程师更好地设计波导，而无需进行大量反复试验和原型制作。

以下是仿真软件可实现的应用示例：

• 设计不同类型的波导，这些波导由不同材料制成，具有多种尺寸规格。
• 优化X和Y波导横截面（例如，沿Z方向传播）
• 计算将在波导中使用哪些模态，是TE模还是TM模，是单模还是多模
• 计算光沿波导传播时，波导模态的传播常数和有效折射率
• 计算波导的电场分布，包括电场的X、Y和Z分量
• 确认传播的光波不会产生干涉
• 计算潜在损耗，包括波导弯曲可能产生的损耗

除研究波导属性之外，还可对波导所在的系统进行仿真，以开发更好的片上设计。

例如，工程师可通过仿真观察模态沿波导传播的行为。他们可以看到光在分光器或耦合器中的行为，以确保光的有效耦合或分路，并最大限度降低更大光学或光子系统中的损耗。

在设计光学电路时，工程师还可通过仿真来分析其它组件，并确保它们能够针对预期应用提供有最佳的属性、功能性和特性。

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