光波導是引導可見光段中的電磁波的物理結構。常見類型的光波導包括光纖和矩形波導。
光波導可用作集成光路中的組件或用作本地和長途光通信系統中的傳輸介質。
光波導可根據其幾何形狀（平面、條帶或光纖波導）、模式結構（單模、多模）、折射率分佈（階梯或梯度折射率）和材料（玻璃 、 聚合物、半導體）進行分類。
介質平板波導
實際應用的矩形幾何光波導最容易理解為理論介質平板波導，也稱為平面波導的變體。[1][2]平板波導由具有不同介電常數的三層材料組成，在平行於它們的界面的方向上無限延伸。
光可以通過全內反射限制在中間層中。僅當中間層的介電指數大於周圍層的介電指數時才會發生這種情況。在實踐中，平板波導在平行於界面的方向上不是無限的，但是如果界面的典型尺寸遠大於層的深度，則平板波導模型將是非常接近的。 平板波導的引導模式不能被從頂部或底部界面入射的光激發。 光線必須從側面注入中間層。 或者可以使用耦合元件將光耦合到波導中，例如光柵耦合器或稜鏡耦合器。
引導模式中的一種模式是平面波來回反射的中間層的兩個接口之間，入射角在光的傳播方向和平行的或垂直的方向之間，在材料界面更大過臨界角 。 臨界角取決於材料的折射率，可以根據光的波長而變化。 這種傳播將僅在一組離散的角度處產生導向模式，其中反射的平面波不會破壞性地干擾其自身。
該結構僅在一個方向上限制電磁波，因此幾乎沒有實際應用。 然而，近似為平板波導的結構有時會作為其他裝置中的附帶結構出現。
波導可用於增強現實眼鏡 ，現有2種技術：繞射波導和反射波導。 Karl Guttag將繞射波導的光學與競爭技術——反射波導進行競爭。 [3]
二維波導
條形波導基本上是限制在包層之間的層的條帶。 最簡單的情況是矩形波導 ，當平板波導的引導層在兩個橫向方向上而不是僅僅橫向方向受到限制時形成矩形波導。矩形波導用於集成光學電路和激光二極管中 。 它們通常用作馬赫－曾德爾干涉儀和波分復用器等光學元件的基礎。 激光二極管的腔通常構造為矩形光波導。 具有矩形幾何形狀的光波導通過各種方式產生，通常通過平面工藝製造 。
矩形波導中的場分佈不能通過分析求解，但是已知近似求解方法，例如Marcatili方法 ， [4] 擴展Marcatili方法 [5]和Kumar方法 [6]。
肋形波導是一種波導，其中引導層基本上由平板構成，其上疊加有條帶（或多個條帶）。 肋波導還在兩個維度上提供波的限制。
光波導通常沿其傳播方向保持恆定的橫截面。 這是條形和肋形波導的情況。 然而，波導也可以在其橫截面上具有周期性變化，同時仍允許通過所謂的布洛赫模式進行無損光傳輸。 這種波導被稱為分段波導（沿着傳播方向具有一維圖案[7] ）或者稱為光子晶體波導（具有二維或三維圖案[8] ）。
光波導在光子學中有它們最重要的應用。在三維空間中配置波導提供了晶片上的電子元件和光纖之間的集成。這種波導可以被設計用於在通信波長處的紅外光的單模傳播，並且被配置為以非常低的損耗在輸入和輸出位置之間傳遞光信號。
構造這種波導的方法之一利用透明材料中的光折變效應。 通過脈衝激光的非線性吸收可以引起材料折射率的增加。 為了最大化折射率的增加，使用非常短（通常為飛秒）的激光脈衝，並用高NA顯微鏡物鏡聚焦。 通過將焦斑透過體透明材料，可以直接寫入波導。[9] 該方法的變體使用低NA顯微鏡物鏡並沿着光束軸平移焦斑。這改善了聚焦激光束和光折射材料之間的重疊，從而減少了激光器所需的功率。 [10]
當透明材料暴露於具有足夠亮度的未聚焦激光束以啟動光折變效應時，由於累積的自聚焦 ，波導可以自己開始形成。 [11] 這種波導的形成導致激光束的破裂。 持續曝光導致折射率朝向每個波導的中心線累積，並且導致傳播光的模場直徑的崩潰。 這種波導永久保留在玻璃中，可以離線拍攝（見右圖）。
光管
光管是用於引導短距離光的固體材料的管或圓柱體。在電子設備中，塑料光管用於將來自電路板上的LED的光引導到用戶界面表面。在建築物中，光管用於將照明從建築物外部轉移到內部需要的地方。
光纖
光纖通常是圓形橫截面電介質波導，由介電材料構成，該介電材料被具有較低折射率的另一電介質材料包圍。 光纖通常由石英玻璃製成 ，但是其他玻璃材料也用於某些應用，塑料光纖可用於短距離應用。
請參見
參考文獻
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