光波导技术的演进

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引言

5 O8 O  y7 i, v9 c早期发现与基本原理
* ^% |+ J$ D  y1 d" O( c光波导技术的发展始于1841年的一次偶然发现。日内瓦大学物理学家Jean-Daniel Colladon在进行课堂演示时，观察到光束被束缚在水流中传播。这一意外发现揭示了全内反射现象，该现象后来成为现代光波导技术的基础[1]。
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8 d: x# G  D4 N0 z1 K图1：A展示了Colladon的原始水波导演示

0 n+ J$ M2 F5 n* s" C阳光通过流动的水流被引导传播，这标志着首次观察到用于光传导的全内反射现象。B展示了1960年代的早期商用光纤胃镜，尽管传输损耗高达1000 dB/km，但光纤束已可用于医学成像。C和D展示了现代光纤海底通信电缆，采用单模光纤，在1550 nm波长处损耗低于0.2 dB/km，通过超过100万公里的安装电缆实现全球互联网连接。
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法国物理学家Jacques Babinet同时期也进行了相关研究，发现这种效应同样适用于玻璃杆。随后，爱尔兰物理学家John Tyndall在1869年对这一现象进行了深入研究，测量了水、火石玻璃和钻石等多种透明介质的"临界角"。C和D展示了现代光纤海底通信电缆，采用单模光纤，在1550 nm波长处损耗低于0.2 dB/km，通过超过100万公里的安装电缆实现全球互联网连接。
3 m, F: N: z* _1 w光纤技术的发展

$ _# X: ]% j. c% b2 x3 D6 J3 W从水波导演示到实际应用的转变始于玻璃波导的研发。早期研究主要集中在可弯曲的厚玻璃棒上。1954年，Abraham Van Heel和Brian O'Brien取得重大突破，通过在玻璃纤维外包覆低折射率包层，显著降低了传输损耗。
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1956年，Larry Curtiss实现了另一项关键突破，通过将高折射率玻璃棒熔化在低折射率玻璃空心圆柱内，制造出首个全玻璃芯层/包层光纤。这项技术为现代光纤奠定了基础。
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1960年激光器的发明加速了光纤技术的进步。1966年，Charles Kao和George Hockham的开创性研究表明，如果光纤损耗能降至20 dB/km，激光就能实现公里级距离的数据传输。这一发现推动了超纯硅玻璃的研究。
现代光纤发展

当代光纤技术已发展出多种专门形式。为解决通信中的材料色散问题，研发出了色散位移光纤。这种光纤利用波导色散将零色散波长移至损耗最小的1.5 μm波段。
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6 i+ a: j" A& o4 u$ m. f高非线性光纤是另一重要发展，专门设计用于增强非线性光学效应，应用于传感、光谱学和精密测量。这类光纤通过精确控制纤芯尺寸和材料成分实现特定性能。
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" V- y, V$ B% B7 T  B6 x2 }图2展示了光纤结构的演进：(A)实心芯光子晶体光纤，(B)空心芯光子带隙光纤，(C)嵌套型抗共振无节点光纤，在1450 nm波长处实现1.3 dB/km的损耗。
片上波导技术
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( f3 k. F8 v+ }. A5 S片上波导的发展与光纤技术同步进行，目标是制造集成光线路。20世纪60年代的早期努力主要集中在薄膜技术和半导体p-n结两个方向。
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3 q& {/ n9 K  C6 B图3展示了1969年的早期集成光线路概念，包括平面波导、方向耦合器和相位调制器等多个组件。

8 q, r, y9 Q# `! A, q8 W6 j硅成为集成光子技术的主导平台，可与现有半导体制造工艺兼容。现代硅光波导损耗约为1 dB/cm，同时通过与有源器件集成实现复杂功能。
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- U' o; d# X9 o' @& q图4展示了1980年至2020年间不同集成波导技术的传输损耗改进时间线，显示各种平台在降低损耗方面取得的显著进展。
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4 T& e7 m/ x: ~  S* D光波导领域持续发展，包括光子晶体波导和表面等离极化激元波导等新型结构。光子晶体波导通过折射率的周期分布创建光子带隙，实现对光传播的精确控制。早期光子晶体波导由于表面粗糙度和孔径变化，损耗达到60-100 dB/cm。通过优化制造工艺，特别是改进刻蚀技术以产生光滑垂直的侧壁，损耗已降低到4.5-8 dB/cm。
2 q% m) x6 F- C6 r4 i! s" d: a新型波导材料与结构

- H6 h% t$ L* e9 w; _氮化硅波导系统在光量子技术和精密光学应用中表现突出。在1970年代，研究人员首先研发了可见光波段的氮化硅波导，透射损耗达到0.1 dB/cm。通过不断优化制造工艺，特别是改进刻蚀技术和表面处理方法，现代氮化硅波导在通信波长处的损耗已降至0.045 dB/m。

铌酸锂波导在电光调制领域具有独特优势。传统钛扩散工艺制备的铌酸锂波导具有较低的折射率差，导致器件尺寸较大。薄膜铌酸锂技术的出现改变了这一局面，通过在低折射率介质上制备晶态铌酸锂薄膜，实现了高度限制的脊型波导结构。最新研究表明，干法刻蚀工艺制备的薄膜铌酸锂波导损耗可达0.027 dB/cm。
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2 J' l# F9 I' n0 ^4 M. L: d+ k# pIII-V族半导体波导在有源器件应用方面具有优势。磷化铟平台可同时提供增益和高效电光调制功能。在无源波导方面，环形谐振器中的传输损耗可达0.45 dB/cm。但在与有源区域单片集成时，损耗通常会增加到2-3 dB/cm。
新兴应用与技术趋势
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& b2 c$ F" s, e$ v- ]8 T+ n表面等离激元波导尽管损耗较高，但在亚波长尺度操控光场方面具有独特优势。金属纳米线波导可实现数十微米的传播距离，主要受限于金属的本征损耗。V型槽波导结构虽然损耗略高，但可实现大角度弯曲和分支器等功能器件。
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  T" k* w' Z- y1 W% u混合集成方法正在获得越来越多关注。通过结合不同波导平台的优势，例如将硅用于密集无源线路，同时集成III-V材料实现有源功能，可充分发挥各类材料的优势。晶圆键合和转印等异质集成技术使这类混合系统变得更加实用。

研究人员继续探索新型材料和结构用于特定应用：

用于光量子线路的超低损耗波导

支持倍频程频率梳的宽带波导

具有增强非线性特性的全光处理波导

适用于恶劣环境的温度不敏感设计

+ x; b  H' ]5 ~  R8 L随着数据传输速率持续提升，光波导技术在光计算、传感和生物医学器件等领域的应用不断扩展。从简单的光传输到复杂的光子器件，光波导技术展现了基础科学发现转化为实用技术的典范。
参考文献

3 c7 h- U$ ]/ t" R+ R  t! y3 b. M: m[1] Blanco-Redondo and D. D. Hudson, "Historical perspective of optical waveguides," in On-Chip Photonics. Elsevier, 2024, ch. 1, pp. 1-27. DOI: 10.1016/B978-0-323-91765-0.00004-9
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) \' N- i4 U. p0 O% F/ n' _深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

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