光波导的理论以及制备方法介绍

光波导的理论以及制备方法介绍摘要由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。

光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。

光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。

重点介绍离子注入法。

光波导简介如图所示为光波导结构图表1光波导结构如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。

其中白色曲折线表示光的传播路径形式。

可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。

为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。

一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。

图表2光波导模型如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。

光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点：（1）光密度大大增强光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。

（2）光的衍射被限制从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。

（3）微型元件集成化微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低（4）某些特性最优化非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。

光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别：图表3平面波导（planar）图表4光纤（fiber）图表5条形波导（channel）图表6脊型波导（ridge）上面介绍了几大类光波导形式，实际上这只是基本的几种形式，每一种都可以加以变化以适应不同环境及应用的需求。

比如将条形光波导做成分叉形状可以制成“Y”型波导用于分开传播信号，甚至可以与电学性质结合做成光开关元件等等。

光波导的应用前景光波导本身由于是多方面科学的集成，所以其研究以及应用范围也是很广泛的小型紧凑的波导结构，有利于实现光路的集成。

光波在波导中的传输、耦合以及与外场相互作用引起的各种物理现象，是集成光路设计和制造的基础。

如今已经是叫做集成光子学。

应用范围：波导激光器：谐振腔内激光传播和振荡的模式由波导理论来确定的激光器。

固体、液体、气体、半导体等工作物质都可以做成波导激光器，其中较为成熟的是CO2波导激光器。

CO2激光器的波导管是内径很细(约1mm)、内表面很光滑的空心导管，可以是圆形或方形，通常用氧化铍(BeO)陶瓷做成。

波导管只允许低阶模通过，对高阶模的损耗很大，故输出激光的光束质量很好。

光波导放大器：是一种应用于城域网和局域网通信的光放大器,它尺寸小、易于集成、能在特定节点提供适中的增益。

光无源器件：光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。

具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等。

光子集成器件：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。

光孤子：光孤子通信具有以下特点：（1）容量大：传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上；（2）误码率低、抗干扰能力强：基阶光孤子在传输过程中保持不变及光孤子的绝热特性决定了光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于10－12的无差错光纤通信；（3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。

光子晶体：光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。

所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。

这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。

由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。

微波波段的逞隙常称为电磁带隙（Electromagnetic Band-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。

光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。

国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。

迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。

光子晶体的出现使信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。

光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1,与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光；2，与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用；3,光子晶体光纤应用。

普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。

…….制备方法光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，其中下面主要列举一些：离子交换：借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的,是一种属于传质分离过程的单元操作。

离子交换法制作光波导的理论基础，属于光通信技术领域，涉及光波导技术。

在使用离子交换法制作光波导的过程中，折射率是形成波导的关键条件。

该理论的核心内容就是阐述了是离子交换中的哪些因素以及这些因素又是怎样来影响折射率的增加和减小的。

其具体内容主要有以下两点：１．折射率与交换离子的原子大小尺寸有关；２．与电子位移极化率有关。

离子注入：具有在任意温度下对离子注入的剂量和深度可以精确控制，从而改变材料表面性质的优越性，引起了人们的广泛关注。

离子注入法是较新的一种形成光波导的技术, 与这几种传统的波导制作方法相比, 离子注入法具有以下独特的优点: 1) 注入的离子可任意选择, 不受化学组分的限制; 2) 离子注入可在各种温度下进行; 3) 离子注入的深度和注入剂量(影响折射率的变化) 可以精确地控制, 能够有目的地形成各种分布; 4) 离子注入法具有可靠的重复性等。

如利用离子注入制备光学晶体的脊形光波导的方法，该方法离子注入、光刻胶掩膜制备和Ar离子束刻蚀。

采用能量为2.0-5.0MeV的离子注入到光学晶体的表面，在形成的平面光波导上制备掩膜，用Ar离子束进行刻蚀，能够在光学晶体表面形成脊形光波导；用氧离子和硅离子等注入铌酸锂和偏硼酸钡等非线性光学晶体能够形成增加型的脊形光波导；用氦离子或者氢离子注入多数光学晶体能够形成位垒型脊形光波导。

所形成的脊形光波导可以保持较好的非线性光学特性。

脊形光波导的厚度、脊背的宽度、深度以及导波模式可以由工艺参数控制。

再如用能量为2. 8M eV、剂量为1. 4×1016 ionö cm 2 的He+ 在室温(300 K) 下注入到晶体材料L iTaO 3 中, 形成了离子注入平板光波导。

用棱镜耦合法观察和测量了L iTaO 3 波导导模的分布,并对退火前后的L iTaO 3 波导的折射率分布进行了计算和比较。

利用背散射ö沟道技术分析了由于He+ 的注入而引起的波导表面的损伤。

溅射：外延生长：化学气相沉积：是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。

它本质上属于原子范畴的气态传质过程。

其特点有：1)在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。

2)可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)。

3)采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。

4)涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。

5)可以控制涂层的密度和涂层纯度。

6)绕镀件好。

可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。

适合涂覆各种复杂形状的工件。

由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。

7)沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。

8)可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。

溶胶凝胶：它可以在低温下制备光波导，在制作光波导的伺时，还可以掺入非线性光学材料。

采用溶胶-凝胶技术与化学修饰相结合的方法,制备了具有紫外感光特性的SiO2/Al2O3溶胶及其凝胶薄膜,并通过在溶胶中加入聚乙二醇使其形成有机-无机复合结构,经一次提拉制膜就可获得18μm厚的感光性凝胶薄膜.利用薄膜自身的感光性,使紫外光通过掩模照射薄膜,再经过溶洗和200℃、1h的热处理,就可获得厚度达到15μm、线宽约为100μm的波导阵列. 激光直写：利用光纤激光器对平面波导的芯层进行直写,结合后续的化学腐蚀工艺得到了SiO2-TiO2条形光波导,并着重研究了激光直写波导过程中存在的功率密度阈值以及阈值随薄膜预热处理温度的变化关系。

研究结果表明,激光直写SiO2-TiO2波导存在起始收缩阈值和烧蚀损伤阈值；随着薄膜热处理温度的提高,两个阈值同时增大,其中损伤阈值的增大趋势要大于收缩阈值；因而薄膜可承受的直写光斑直径变小,所得波导宽度显著减小。

最后对直写制得条形光波导的导光性能作了测试分析,验证了波导的三维导光性。

从上面列举的几个可以看出来，利用掺杂来改变介质的折射率的方法应用较多，并且不同的方法也有相应的优势（如图7所示，不同的制备方法形成的折射率分布不同，从而在不同的应用领域有相应的优势），当然，由于一定的历史背景，也使得有的制备方法的优势已经不再突出，但是思想也是很好的。