光波導(dǎo)（optical waveguide）是引導(dǎo)光波在其中傳播的介質(zhì)裝置，又稱介質(zhì)光波導(dǎo)。光波導(dǎo)有兩大類：一類是集成光波導(dǎo)，包括平面（薄膜）介質(zhì)光波導(dǎo)和條形介質(zhì)光波導(dǎo)，它們通常都是光電集成器件（或系統(tǒng)）中的一部分，所以叫作集成光波導(dǎo)；另一類是圓柱形光波導(dǎo)，通常稱為光纖 （見光學纖維）。

光波導(dǎo)由光透明介質(zhì)（如石英玻璃）構(gòu)成的傳輸光頻電磁波的導(dǎo)行結(jié)構(gòu)。光波導(dǎo)的傳輸原理不同于金屬封閉波導(dǎo)，在不同折射率的介質(zhì)分界面上，電磁波的全反射現(xiàn)象使光波局限在波導(dǎo)及其周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播。 多模和單模光纖已成功地應(yīng)用于通信。光纖的傳輸特性對外界的溫度 和壓力等因素敏感，因而可制成光纖傳感器，用于測量溫度、壓力、聲場 等物理量。

概念解釋

平面介質(zhì)光波導(dǎo)是最簡單的光波導(dǎo)，它是用折射率為n2的硅（或砷化鎵，或玻璃）作基片，用微電子工藝在它上面鍍一層折射率為n1的介質(zhì)膜，再加上折射率為n3的覆蓋層制成。通常取n1>n2>n3，以便將光波局限在介質(zhì)膜內(nèi)傳播。條形介質(zhì)光波導(dǎo)是在折射率為n2的基體中產(chǎn)生一個折射率為n1的長條，取n1>n2，以便將光波局限在長條內(nèi)傳播。這種光波導(dǎo)常用作光的分路器、耦合器、開關(guān)等功能器件。

光波導(dǎo)的橫向尺寸比光的波長大很多時，光的波動性所產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象一般可略去不計，可用幾何光學定律來處理光在其中的傳播問題。如集成光波導(dǎo)和階躍折射率光纖中，都是利用入射角大于臨界角使光在邊界上發(fā)生全反射，結(jié)果光便沿折線路徑在其中傳播。梯度折射率光纖中，則利用光逐漸往折射率大的方向彎曲的規(guī)律，使光線沿曲線路徑在其中傳播。

光波導(dǎo)的橫向尺寸與光的波長相差不大時，光的波動性所產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象便不能略去，需用光的電磁理論來處理光在其中的傳播問題。即由麥克斯韋方程組出發(fā)，列出邊界條件，求解光波的電場和磁場在光波導(dǎo)內(nèi)的分布和傳播特性，從而解決有關(guān)問題。計算表明，對于一種給定形狀和折射率的光波導(dǎo)，能在其中傳播的光波，其電場和磁場的分布有各種不同形式，把每一種形式叫作一種傳輸模，簡稱為模。每種模都存在一個截止頻率，如果光波的頻率低于這個截止頻率，這種模的光就不能在該光波導(dǎo)中傳播。光纖的直徑越大能傳輸?shù)哪?shù)就越多。能傳輸多種模的光纖叫作多模光纖；只能傳輸一種模的光纖叫作單模光纖。多模光纖常用于近距離傳輸，如內(nèi)窺鏡等；單模光纖則用于遠距離通信。

結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代應(yīng)用的光頻的波長介于0.8—1.6微米之間。實用光波導(dǎo)有光導(dǎo)纖維（見光纖光纜）、薄膜波導(dǎo)、帶狀波導(dǎo)等三類。光導(dǎo)纖維的一個傳輸特性是衰減很小、頻帶很寬、抗電磁干擾，主要用于通信；光導(dǎo)纖維的另一傳輸特性是對外界的溫度和壓力等因素敏感，因而可制成光導(dǎo)纖維傳感器，用于測量溫度、壓力、聲場等物理量。

薄膜波導(dǎo)有三層介質(zhì)，中層的薄膜厚度約1—10微米，上層（通常即為空氣）和底層介質(zhì)的折射率n0與n2都小于n1。當薄膜的寬度為有限尺寸時，稱為帶狀波導(dǎo)。光波能量主要集中在W×d的矩形帶狀結(jié)構(gòu)中。薄膜波導(dǎo)與帶狀波導(dǎo)主要用于制作有源和無源的光波導(dǎo)元件，如激光器、調(diào)制器和光耦合器等。它們采用半導(dǎo)體薄膜工藝，適合于制成平面結(jié)構(gòu)的集成光路（即光集成部件）。

傳輸特性

光纖的傳輸衰減很小，頻帶很寬。例如，在1.5微米波段衰減可小到0.2分貝/公里，頻帶寬達108/公里數(shù)量級（多模光纖）或109赫/公里數(shù)量級（單模光纖），如此優(yōu)良的性能是其他傳輸線難以達到的，因而光纖可用于大容量信號的遠距離傳輸。薄膜波導(dǎo)和帶狀波導(dǎo)傳輸特性及其分析與光纖類似。由于它們主要用來構(gòu)成元件，對傳輸衰減與頻帶要求并不嚴格。嚴格求解光波導(dǎo)中的電磁場的矢量解較為困難，故通常用標量近似法、射線法等近似解法分析其傳輸特性，包括各個模式的場分布、色散以及模式之間的耦合等。

平面光波導(dǎo)材料

PLC光器件一般在六種材料上制作，它們是：鈮酸鋰（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator,絕緣體上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃。

鈮酸鋰波導(dǎo)是通過在鈮酸鋰晶體上擴散Ti離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴散型。InP波導(dǎo)以InP為稱底和下包層，以InGaAsP為芯層，以InP或者InP/空氣為上包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波導(dǎo)以硅片為稱底，以不同摻雜的SiO2材料為芯層和包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。SOI波導(dǎo)是在SOI基片上制作，稱底、下包層、芯層和上包層材料分別為Si、SiO2、Si和空氣，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊形。聚合物波導(dǎo)以硅片為稱底，以不同摻雜濃度的Polymer材料為芯層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。玻璃波導(dǎo)是通過在玻璃材料上擴散Ag離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴散型。

平面光波導(dǎo)工藝

以上六種常用的PLC光波導(dǎo)材料中，InP波導(dǎo)、二氧化硅波導(dǎo)、SOI波導(dǎo)和聚合物波導(dǎo)以刻蝕工藝制作，鈮酸鋰波導(dǎo)和玻璃波導(dǎo)以離子擴散工藝制作，下面分別以二氧化硅波導(dǎo)和玻璃波導(dǎo)為例，介紹兩類波導(dǎo)工藝。

二氧化硅光波導(dǎo)的制作工藝分為七步：

1)采用火焰水解法（FHD）或者化學氣相淀積工藝（CVD），在硅片上生長一層SiO2，其中摻雜磷、硼離子，作為波導(dǎo)下包層；

2)采用FHD或者CVD工藝，在下包層上再生長一層SiO2，作為波導(dǎo)芯層，其中摻雜鍺離子，獲得需要的折射率差；

3)通過退火硬化工藝，使前面生長的兩層SiO2變得致密均勻。

4)進行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護起來；

5)采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝，將非波導(dǎo)區(qū)域刻蝕掉；

6)去掉光刻膠，采用FHD或者CVD工藝，在波導(dǎo)芯層上再覆蓋一層SiO2，其中摻雜磷、硼離子，作為波導(dǎo)上包層；

7)通過退火硬化工藝，使上包層SiO2變得致密均勻。

二氧化硅波導(dǎo)工藝中的幾個關(guān)鍵點：

1)材料生長和退火硬化工藝，要使每層材料的厚度和折射率均勻且準確，以達到設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡量減少材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力，以降低波導(dǎo)的雙折射效應(yīng)；

2)RIE刻蝕工藝，要得到陡直且光滑的波導(dǎo)側(cè)壁，以降低波導(dǎo)的散射損耗；

3)RIE刻蝕工藝總會存在Undercut，要控制Undercut量的穩(wěn)定性，作為布版設(shè)計時的補償依據(jù)。

玻璃光波導(dǎo)的制作工藝分為五步：

1)在玻璃基片上濺射一層鋁，作為離子交換時的掩模層；

2)進行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護起來；

3)采用化學腐蝕，將波導(dǎo)上部的鋁膜去掉；

4)將做好掩模的玻璃基片放入含Ag+－Na+離子的混合溶液中，在適當?shù)臏囟认逻M行離子交換，Ag+離子提升折射率，得到溝道型光波導(dǎo)；

5)對溝道型光波導(dǎo)施以電場，將Ag+離子驅(qū)向玻璃基片深處，得到掩埋型玻璃光波導(dǎo)。

平面光波導(dǎo)應(yīng)用

鈮酸鋰晶體具有良好的電光特性，在電光調(diào)制器中應(yīng)用廣泛。InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光無源器件，被視為光有源/無源器件集成的最好平臺。SOI材料在MEMS器件中應(yīng)用廣泛，是光波導(dǎo)與MEMS混合集成的優(yōu)良平臺。聚合物波導(dǎo)的熱光系數(shù)是SiO2的32倍，應(yīng)用在需要熱光調(diào)制的動態(tài)器件中，可以大大降低器件功耗。玻璃波導(dǎo)具有最低的傳輸損耗和與光纖的耦合損耗，而且成本低廉，是商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波導(dǎo)具有良好的光學、電學、機械性能和熱穩(wěn)定性，被認為是無源光集成最有實用前景的技術(shù)途徑。