光波导

平面介质光波导是最简单的光波导，它是用折射率为n2的硅（或砷化镓，或玻璃）作基片，用微电子工艺在它上面镀一层折射率为n1的介质膜，再加上折射率为n3的覆盖层制成。通常取n1>n2>n3，以便将光波局限在介质膜内传播。条形介质光波导是在折射率为n2的基体中产生一个折射率为n1的长条，取n1>n2，以便将光波局限在长条内传播。这种光波导常用作光的分路器、耦合器、开关等功能器件。光波导的横向尺寸比光的波长大很多时，光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计，可用几何光学定律来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中，都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生全反射，结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中，则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律，使光线沿曲线路径在其中传播。

光波导的横向尺寸与光的波长相差不大时，光的波动性所产生的衍射现象便不能略去，需用光的电磁理论来处理光在其中的传播问题。即由麦克斯韦方程组出发，列出边界条件，求解光波的电场和磁场在光波导内的分布和传播特性，从而解决有关问题。计算表明，对于一种给定形状和折射率的光波导，能在其中传播的光波，其电场和磁场的分布有各种不同形式，把每一种形式叫作一种传输模，简称为模。每种模都存在一个截止频率，如果光波的频率低于这个截止频率，这种模的光就不能在该光波导中传播。光纤的直径越大能传输的模数就越多。能传输多种模的光纤叫作多模光纤；只能传输一种模的光纤叫作单模光纤。多模光纤常用于近距离传输，如内窥镜等；单模光纤则用于远距离通信。

现代应用的光频的波长介于0.8—1.6微米之间。实用光波导有光导纤维（见光纤光缆）、薄膜波导、带状波导等三类。光导纤维的一个传输特性是衰减很小、频带很宽、抗电磁干扰，主要用于通信；光导纤维的另一传输特性是对外界的温度和压力等因素敏感，因而可制成光导纤维传感器，用于测量温度、压力、声场等物理量。

薄膜波导有三层介质，中层的薄膜厚度约1—10微米，上层（通常即为空气）和底层介质的折射率n0与n2都小于n1。当薄膜的宽度为有限尺寸时，称为带状波导。光波能量主要集中在W×d的矩形带状结构中。薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、调制器和光耦合器等。它们采用半导体薄膜工艺，适合于制成平面结构的集成光路（即光集成部件）。

光纤的传输衰减很小，频带很宽。例如，在1.5微米波段衰减可小到0.2分贝/公里，频带宽达10/公里数量级（多模光纤）或10赫/公里数量级（单模光纤），如此优良的性能是其他传输线难以达到的，因而光纤可用于大容量信号的远距离传输。薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。由于它们主要用来构成元件，对传输衰减与频带要求并不严格。严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难，故通常用标量近似法、射线法等近似解法分析其传输特性，包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等。