波導是一種用于將電磁波從一個位置引導到另一個位置的專用結構，通常用于連接兩個或多個元件，以進行信息傳輸。波導的橫截面通常為矩形或圓形，可實現低損耗的微波、無線電波和光波（光學波導）傳輸。

許多因素會影響波導傳播不同電磁波的方式，包括：

• 波導形狀
• 波導尺寸
• 所用材料的特性，例如剛度或柔性

波導常會與同軸電纜混淆，因為這兩者都是用于引導電磁波的傳輸線。然而，波導的結構和傳播方法不同于同軸電纜。同軸電纜通過由絕緣材料隔開的兩個導體傳播電磁波；而在波導中，電磁波是在一種支持不同傳播“模態”的空腔結構內部傳播。光學波導利用兩種材料的折射率差異，來確保光波傳播到預期目標位置。微波等應用所采用的非光學波導，通過阻抗或材料電導率來約束并引導電磁輻射的傳播。

在這篇文章中，我們深入探討了何為波導以及當今各種類型的波導的應用方式，其中重點介紹光學波導。

什么是光學波導？

光學波導以不同的光頻率（通常在紅外范圍內）進行光傳輸，通常用于路由或控制光信號。

光通信所用的光纖，是最常見的光波導類型。光纖通常由硅玻璃制成，具有高折射率纖芯和低折射率包層，以便沿光纖引導光。

平面光學波導則不怎么常見。這些波導被稱為片上波導，因為光學波導直接在半導體芯片上制成，例如：絕緣體上的硅、砷化鎵、鈮酸鋰或磷化銦芯片等。片上波導可能有多種幾何結構，包括肋形、條形、微帶、負載型、倒肋和光子晶體等。

光子晶體光纖

光子晶體是光波導的一個新興領域，因為它們的行為與其它波導不同。其中，光不是通過波導的折射率來引導，而是通過光子晶體的結構圖案來引導，因為光不能穿過晶體本身。晶體的光子帶隙會阻擋光的某些波長，類似于半導體中的電子帶隙。光子晶體實際上是“光學半導體”。

光學波導和非光學波導的類型

波導的類型有很多，包括用于引導微波頻率、射頻（RF）及其它電磁波的光學波導與波導。

圓形波導

圓形波導是空心管，主要用于以橫電（TE）模式和橫磁（TM）模式引導微波和無線電波。其中，波沿圓形路徑引導，通常通過金屬波導實現。

這類波導通常用于無線通信、微波回程以及雷達應用。

共面波導

共面波導為矩形波導，其導體帶有中央導電帶和兩個接地平面，所有導體都位于基板材料（如印刷電路板或PCB）的同一側。共面波導用于引導微波器件、毫米波（mmWave）電路和單片微波集成電路（MMIC）中的微波。

柔性波導

柔性波導與其它波導不同，它們可以扭曲和彎曲，以適應更多剛性波導無法達到的受限空間。柔性波導由銅、黃銅或鋁制成，外層柔軟，可能包括波紋和螺旋結構，以實現柔軟性。但是，這些特性也可能會引入電阻和信號衰減。

柔性波導主要有三種類型：可扭轉型、可彎曲型和可彎曲可扭轉型，它們主要用于通信和航空航天領域的微波傳輸應用。

零模波導

零模波導（ZMW）是光學波導，可將光導入低于光波長的小體積中。這種波導通過納米級結構（例如可減少光學觀測體積的微小孔徑）來實現這種約束。

與其他光學波導不同，ZMW不支持傳播光學模式，而是用于等離子體、量子光學以及單分子或熒光成像。

介電波導

介電波導是用于構建光纖和片上波導的圓柱形波導。介電波導具有高折射率纖芯和低折射率包層。光波利用全內反射原理傳播：當光試圖從光密介質進入光疏介質時，它會在材料界面被反射回光密介質。因此，導波會被限制在光纖芯中，從而實現損耗盡可能低的遠程傳輸。介電波導廣泛應用于光通信和集成光學器件中。

介電波導仿真

不同的波導模式

所有波導是通過“模態（Modes）”來傳輸電磁波的。在光學波導中，模態是指光沿波導傳播時所呈現的場分布形態。波導越小，傳播模態越少；波導越大，則支持更多的傳播模態。對于光學模態，保持波導全程的橫截面一致至關重要，因為任何橫截面變化都會引起散射，從而導致波導中的衰減（信號損耗）。

橫電模和橫磁模

橫電（TE）模和橫磁（TM）模是用于傳播微波的兩種常見的波導模態。將兩者結合在一起的模態，被稱為TEM模態。這些模態也可能會出現在光學波導中。

TE模和TM模在傳播過程中均由電磁場的方向定義。電磁場是在給定時間指向特定方向的矢量。在TE模下，電場與波傳播方向（水平或垂直）是垂直（呈橫向）的。在TM模下，磁場與傳播方向是呈橫向的。光學波導可以使用準TE模（quasi-TE）和準TM模（quasi-TM），這是對TE模或TM模的近似，其與微波或無線電波傳播中的TE/TM模不同。

單模光纖與多模光纖的對比

在光纖波導中，光可以以單模傳播，也可以按多模傳播。單模光纖的纖芯非常小，而多模光纖的纖芯則更大。單模光纖較小的纖芯只支持有限的傳播模，因此其被廣泛應用于硅光子學和長距離光通信，實現光（以及其承載信息）的遠程高效傳輸。但是，由于纖芯較小，光線很難進入波導，需要專用激光器和光學組件讓光以脈沖的形式進入光纖。

多模光纖不適合長距離通信，因為存在多種模態，會導致光脈沖以不同的速度擴展傳播。多模光纖更適合短距離通信網絡，如局域網（LAN）和數據中心等。

波導的應用示例

波導（光學和非光學）的用途很多，包括：

• 光通信（電信）
• 光子集成電路（PIC）
• 光學傳感器
• 激光
• 干涉儀
• 雷達
• 微波和RF通信
• 印刷電路板（PCB）
• 光學電路
• 光發射器
• 太赫茲（THz）通信
• 增強現實（AR）與虛擬現實（VR）等混合現實系統使用的波導（稱為光波導）較大，與常規波導截然不同

光通信

光通信是最大的商業應用領域之一，其使用介電波導將光從一個位置引導至另一個位置，以在系統間傳輸信息。單模光纖用于長距離通信，而多模光纖則用于短距離通信。

半導體激光產生光脈沖，將編碼信息傳輸至光纖。信息被編碼到光信號上，要么是通過調制激光器的驅動電流，要么使用與激光器分離的外部調制器。光波隨后沿光纖傳播，直至波導接收器（包含一個光電二極管和一個跨阻放大器）接收為止。這些接收器將光纖的高頻光信號處理為電信號，以實現數據傳輸。

光學波導的材料屬性非常重要。除了適當的折射率外，材料的吸收特性也很重要，因為過高的光吸收會導致信號損耗。因此，波導是透明的，由玻璃或透明塑料制成。不透明的包層材料會吸收過多的光，并會導致光纖內發生過度衰減。

雖然大多數光通信（如電信）都使用波導，但并非所有光通信技術都需要波導。自由空間光（FSO）通信就是一個重要示例，它在空氣（即自由空間）中傳播光信號，以在發射器和接收器之間傳輸數據。

光子集成電路

此外，光學波導還可在光子集成電路（PIC）中用作電路的“導線”，它們相當于電子集成電路（IC）中的常規導線，但其傳輸信號的方式是光，而非電子。波導可用于連接光子集成電路（PIC）上的不同組件。

PIC通常使用透鏡等組件與光纖耦合，以改變光的聚焦，因為光纖的模場尺寸比PIC大得多。因此，可將光聚焦到較小的范圍內，以降低損耗。

使用波導的PIC組件有很多，其中包括：

• 分光器：將單個波導的光波分成兩個波導
• 耦合器：將來自兩個不同波導的光波耦合為單個波導
• 環形諧振器：由圓形或橢圓形組成，其可用作PIC上的濾波器或調制器
• 螺旋波導：延遲PIC上的信號
• 光柵耦合器：將光垂直耦合到PIC與光纖，可以輸入也可以輸出光信號
• 光開關：改變波導中的折射率，以控制光信號，并在PIC中引導光信號的路徑

光子集成電路（PIC）中的微環諧振腔仿真

光學傳感器

光學波導廣泛用于光學傳感器。在化學傳感中，氣體或液體分子的存在會引起可被檢測的信號變化。分子會與波導結合或對波導造成干擾，從而改變波導的折射率。隨后可對此進行測量和量化，以確定所需關注的化學物質。使用光學波導的其它常見應用包括光探測與測距（激光雷達）、視覺傳感器和光纖傳感器等。

光學波導的制造

光學波導的制備技術包括：

• 光刻
• 激光寫入
• 薄膜沉積
• 光纖拉制
• 直寫技術

對于片上光學波導，半導體芯片采用傳統IC芯片的半導體制造工藝制成的。這包括：

• 光刻
• 等離子體蝕刻
• 反應離子蝕刻（RIE）
• 化學氣相沉積（CVD）
• 金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）
• 物理氣相沉積（PVD）
• 原子層沉積（ALD）
• 分子束外延（MBE）

制造工藝的準確性至關重要，因為波導中的表面粗糙度可能會導致散射和光損耗。與所有半導體一樣，制造工藝和環境對于保持高靈敏度以及防止污染至關重要。

波導設計與仿真

可以使用模求解器對波導進行仿真，并預測其傳播模式。Ansys Lumerical產品系列可幫助工程師進行光學波導仿真，而Ansys HFSS高頻電磁仿真軟件則可用于射頻和微波仿真。仿真可以幫助工程師更好地設計波導，而無需進行大量反復試驗和原型制作。

以下是仿真軟件可實現的應用示例：

• 設計不同類型的波導，這些波導由不同材料制成，具有多種尺寸規格。
• 優化X和Y波導橫截面（例如，沿Z方向傳播）
• 計算將在波導中使用哪些模態，是TE模還是TM模，是單模還是多模
• 計算光沿波導傳播時，波導模態的傳播常數和有效折射率
• 計算波導的電場分布，包括電場的X、Y和Z分量
• 確認傳播的光波不會產生干涉
• 計算潛在損耗，包括波導彎曲可能產生的損耗

矩形波導的仿真

• 除研究波導屬性之外，還可對波導所在的系統進行仿真，以開發更好的片上設計。
• 例如，工程師可通過仿真觀察模態沿波導傳播的行為。他們可以看到光在分光器或耦合器中的行為，以確保光的有效耦合或分路，并最大限度降低更大光學或光子系統中的損耗。
• 在設計光學電路時，工程師還可通過仿真來分析其它組件，并確保它們能夠針對預期應用提供有最佳的屬性、功能性和特性。