什麼是波導？

波導是用於將電磁波從一處導向另一處的專門結構，經常用於連接兩個以上的元件以傳輸資訊。波導的橫截面一般為矩形或圓形，並以低損耗導引微波、無線電波和光波 (光學波導)。

許多因素會影響波導如何傳播不同的電磁波，包括：

• 波導形狀
• 波導尺寸
• 所用材料的特性，例如剛性或柔性

波導經常與同軸電纜混淆，因為兩者都是用於導引電磁波的傳輸線。然而，波導的結構和傳播方式截然不同於同軸電纜。同軸電纜使用由絕緣物質隔離的兩個導體傳播電磁波，至於在波導內部，電磁波則在支援不同「模態」的中空結構內傳播。光學波導利用兩種材料之間的折射率差異，進而確保光波傳播至預定的目的地。微波等採用的波導則是非光學波導，其利用阻抗或材料傳導性以限制並引導電磁輻射，藉此控制波的傳播方向。

我們在本文中將深入探討何謂波導，以及各種類型在當今的應用方式，並著重於光學波導。

光學波導傳輸不同光學頻率的光 (通常是紅外線範圍)，並常用於導引或控制光學訊號。

最常見的光學波導是用於光通訊的光纖。光纖在傳統上是由二氧化矽玻璃製成，其結構包括高折射率的纖芯和低折射率的包層，以導引光線沿著纖芯傳播。

較為少見的是平面光學波導。這些即是廣為人知的晶片上波導，因為光學波導是製作在半導體晶片上，例如絕緣層上的矽、砷化鎵、鈮酸鋰或磷化銦。晶片上波導可以有多種不同的幾何結構，包括肋狀、條狀、微帶、負載型、倒肋狀及光子晶體。

光子晶體是光學波導的新興領域，因為其行為與其他波導不同。光線並非由波導的折射率導引，而是由光子晶體的圖樣導引，因為光線無法穿透晶體本身。特定波長的光線會遭到晶體的光子能隙所阻擋，這一點類似半導體中的電子能隙。光子晶體本質上就是「光學半導體」。

波導有許多類型，包括光學波導，以及用於導引微波頻率、射頻 (RF) 與其他電磁波的波導。

圓形波導

圓形波導是中空管，主要是在橫向電 (TE) 和橫向磁 (TM) 模態下，用於導引微波與無線電波。沿著圓形路徑導引這些波，通常是透過金屬波導進行。

這類波導常用於無線通訊、微波回傳及雷達應用。

共面波導

共面波導是矩形波導，其導體包括一條中央導體帶與兩個接地平面，所有導體都位於同一側的基板材料上 (例如印刷電路板，或稱 PCB)。共面波導用於引導在微波裝置、毫米波 (mmWave) 電路及單晶微波積體電路 (MMIC) 中的微波。

柔性波導

柔性波導不同於其他波導，因為其可以扭轉與彎曲，以搭配較為剛硬的波導無法進入的狹窄空間。柔性波導是由銅、黃銅或鋁製成，外層柔軟，並可能含有波紋或螺旋結構以提供彈性。然而，這些結構亦可能為波導帶入阻抗與訊號衰減。

柔性波導主要有三種形式：可扭轉型、可彎曲型，以及彈性可扭轉型。這些波導普遍用於通訊與航太產業部門的微波導引應用。

零模波導

零模波導 (ZMW) 是一種光學波導，可將光線導引至小於光波長的體積中。它們利用奈米尺度的結構 (例如微小孔徑)，縮小光學觀測體積以達到限制效果。

不同於其他光學波導的是，ZMW 不支援傳播光學模式，而是應用於電漿、量子光學，以及單分子或螢光成像。

介電波導

介電波導是用於建構光纖與晶片上波導的圓柱形波導。介電波導具有高折射率核心與低折射率包層。光波運用全內反射原理傳播：當光線試圖從較高密度的介質，移動至較低密度的介質時，會在材料界面反射回至較高密度的介質中。導引波於是遭到限制在光纖核心內，讓其能夠以低損耗長程傳輸。介電波導廣泛用於光通訊與積體光學。

所有波導都是透過模態以傳播電磁波。在光學波導中，模態是指光線在波導中傳播時所呈現的形狀。波導愈小則模態愈少，但波導愈大，能支援的傳播模態愈多。對於光學模態而言，波導中維持一致的橫截面至關重要，因為任何變化都可能導致散射，進而影響到波導內部的衰減 (訊號損失)。

橫向電模態與橫向磁模態

橫向電 (TE) 與橫向磁 (TM) 模態，是兩種常見的波導模態，用於傳播微波。同時結合兩者的模態稱為 TEM 模態。這些模態也可以出現在光學波導中。

TE 模態與 TM 模態都是依據電磁場在傳播過程中的方向加以定義。電磁場是在特定時間指向特定方向的向量。在 TE 模態中，電場會橫向 (成垂直) 於波傳播方向 (無論是水平或垂直)。在 TM 模態中，磁場與傳播方向橫切。光學波導可使用準 TE 與準 TM 模態，這些是 TE 或 TM 模態的近似模態，不同於微波或無線電波傳播中的模態。

單模與多模光纖

在光纖波導中，光線可利用單模或多模方式傳播。單模光纖的纖心非常小，而多模光纖的纖心則大得多。單模光纖用於矽光子和長程光通訊，因為其纖心較小，支援模態數也較少，所以能讓光線 (以及其中涵蓋的資訊) 高效長程傳輸。然而，由於纖心較小，將光線引入波導的難度較高。需要專用雷射和光學元件，才能將光脈衝注入光纖。

多模光纖不適合長程電信，因為多個模態的存在會導致光脈衝以不同的速度傳播及擴展。多模光纖較適合短程通訊網路，例如區域網路 (LAN) 和資料中心。

波導 (光學與非光學) 有許多用途，包括：

• 光通訊 (電信)
• 積體光路 (PIC)
• 光學感測器
• 雷射
• 干涉儀
• 雷達
• 微波與射頻通訊
• 印刷電路板 (PCB)
• 光學電路
• 光學發射器
• 兆赫 (THz) 通訊
• 混合實境系統，例如擴增實境 (AR) 和虛擬實境 (VR)，這些系統使用不同於傳統波導的較大型波導 (稱為光導)

光通訊

光通訊是最為龐大的商業應用領域之一，該領域使用介電波導，將光線從一處導向另一處，以在系統之間傳遞資訊。單模光纖用於長程通訊，多模光纖則用於短程通訊。

半導體雷射產生光脈衝，其攜帶編碼資訊至光纖。這裡透過調變雷射的驅動電流，或是使用有別於雷射的外部調變器，將資訊編碼於光學訊號上。接著，波在光纖中傳輸，直到經波導接收器接收，該接收器包含光電二極體和轉換阻抗放大器。這些接收器將光纖中的高頻光訊號處理為電訊號，藉此進行資料傳輸。

光學波導的材料特性相當重要。除了合適的折射率之外，材料的吸收特性同樣是關鍵，因為過多光吸收會導致訊號損失。因此，波導是透明的，並採用玻璃或透明塑料製成。不透明的包層材料會吸收過多光線，並在光纖中造成過度衰減。

雖然大多數光通訊 (例如電信) 都使用波導，但並非所有光通訊技術都非用不可。有個重要例子是自由空間光通訊 (FSO)，其在發射器與接收器之間，透過空氣 (即自由空間) 傳播光線以傳輸資料。

積體光路

光學波導亦用於積體光路 (PIC)，作為電路中的「導線」。它們與電子積體電路 (IC) 所用的傳統導線同義，不過是透過光傳遞訊號，而不是電子。波導用於連接 PIC 上的不同元件。

由於光纖的模態尺寸遠大於積體光路 (PIC)，所以 PIC 常使用如透鏡等元件與光纖耦合，藉此改變光的焦點。因此，光會聚焦至更小尺度以減少損耗。

許多 PIC 元件會使用波導。其中包括：

• 分光器：將單一波導的光波分配至兩個波導
• 耦合器：將兩個不同波導的光波耦合至單一波導
• 環形諧振器：為圓形或橢圓形構成，可作為 PIC 上的濾波器或調變器
• 螺旋波導：用於延遲 PIC 上的訊號
• 光柵耦合器：將光從晶片垂直導入並導出光纖
• 光學開關：改變波導內的折射率，以控制及導引 PIC 的光學訊號

光學感測器

光學波導廣泛用於光學感測器。在化學感測中，若出現氣體或液體分子，則會產生可檢測反應。分子會與波導結合或造成干擾，進而改變波導中的折射率。這些變化隨後可加以測量及量化，並用於判斷所關注的化學成分。其他使用光學波導的常見應用，包括光學偵測和測距 (光學雷達)、視覺感測器及光纖感測器。

光學波導所用的製造技術，如：

• 微影製程
• 雷射寫入
• 薄膜沉積
• 光纖拉製
• 直接寫入技術

對於晶片上的光學波導，半導體晶片是使用與製作傳統 IC 晶片相同的半導體製程技術生產。其中包括：

• 光刻
• 電漿蝕刻
• 反應離子蝕刻 (RIE)
• 化學氣相沉積 (CVD)
• 金屬有機 CVD (MOCVD)
• 物理氣相沉積 (PVD)
• 原子層沉積 (ALD)
• 分子束磊晶法 (MBE)

製程的準確度甚為重要，因為波導的表面粗糙程度，會導致散射和光學損耗。如同任何半導體，製程和環境皆對於維持高靈敏度和防止汙染極具關鍵。

波導可透過模態求解器進行模擬且預測其模態。Ansys Lumerical 產品系列協助工程師模擬光學波導，Ansys HFSS 高頻電磁模擬軟體則可用於 RF 和微波模擬。模擬可協助工程師更妥善設計波導，無須歷經大量試錯以製作原型。

以下是可使用模擬軟體達成的範例：

• 設計由各種材料製成且尺寸各異的波導
• 最佳化 X 和 Y 方向的波導橫截面 (例如傳播方向在 Z 軸)
• 計算波導將使用的模態，例如 TE 模態、TM 模態、單模態或多模態
• 計算光在波導中傳播時的傳播常數和有效折射率
• 計算波導的電場分佈，包括電場的 X、Y 和 Z 分量
• 檢查波傳播是否毫無干擾
• 計算可能損耗，包括因波導彎折所致的損耗

除了研究波導的特性外，整合波導的系統也可以進行模擬，以期開發更出色的晶片上設計。

舉例來說，工程師可使用模擬以檢視模態在波導中傳播的情況。他們可以觀察光在分光器或耦合器的行為，確保光確實有效耦合或分光，並將在龐大光學或光子系統中的損耗降至最低。

工程師在設計光學電路時，也可以使用模擬分析其他元件，並確保其具備適合預定應用的最佳特性、功能和特徵。

立即聯絡 Ansys 技術團隊，瞭解模擬如何協助您設計與最佳化先進波導。

相關資源