波导及波导元件产品生产技术发展趋势分析

第一节 产品生产技术发展现状

波导（waveguide）是用来引导电磁波的结构。在广义的定义下，波导不仅是指空金属管，同时也包括其他波导形式如脊形波导、椭圆波导、介质波导等；还包括双导线、同轴线、带状线、微带和镜像线、单根表面波传输线等。但如不附加说明，一般说到波导就是指空心金属管。根据波导横截面的形状不同，可分为矩形波导、圆波导等。尽管已存在很多不同波导形式，且新的形式还不断出现，但直到目前，在实际应用中矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导形式。

第二节 产品生产工艺特点或流程

1、光波导

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。

光波导结构

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。

光波导模型

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。

现在离子注入的方法应用和研究较多，并且发展也相对成熟。离子注入可以改变固体表面及近表面的特性，是近代科学史上的重大发现，离子注入光波导是核技术与材料科学、信息科学交叉的新领域。

简单来讲离子注入就是将重离子或者轻离子（技术及性质有一定差别，所以分开说）加速后注入事先制作好的晶体或者其他物质中，以引起注入位置的性质（包括折射率）有一定分布。

对于光波导制备来讲，离子注入方法主要有以下几个优势，

1）适用范围广，100 多种光学材料。

2）在常温或低温下完成。

3）准确控制光波导的特征参数。

4）可以形成“晶体”波导，晶体保持原有的属性。

5，重复性好。

6，可以与其它技术相结合等等。

2、波导元件

波导元件可以按等效电路的“路”数（即元件的分支数或“端对”数）来区分；也可以按元件中所充物质的性质来区分；还可以按元件的用途来区分。表中所列为主要的波导元件。但从使用的角度来看，其中不少元件往往兼有几种用途，很难截然划分。 

主要的波导元件

波导元件一般有两个以上的端口，通过某种不均匀性或某种耦合机构来控制电磁波，即对电磁波进行各种变换。常用的不均匀性有波导阶梯（波导截面尺寸突然改变）、膜片、销钉和谐振窗等；常用的耦合机构有耦合小孔、裂缝和耦合环等。

1）法兰

焊在波导的端面，用于延伸或插入元件，使波导或波导元件互相连接。法兰有平法兰和抗流式法兰两种。①平法兰：靠两个法兰平滑表面的机械接触而连接；②抗流式法兰:端面切出四分之一波长深的抗流槽，槽口距波导内壁也是四分之一波长，也就是槽底距波导内表面为二分之一波长。这样即可在机械接触处造成电流波节，即使在两波导端面间略有间隙或错扭，其间仍会呈现短路电抗，达到对直流开路、对射频短路的微波耦合。

抗流式法兰

弯波导和扭波导

2）弯波导和扭波导

在雷达或波导干线中常采用弯波导，以便按要求的角度改变波导的方向。在电场平面内弯曲的波导称为 E面弯波导，在磁场平面内弯曲的波导称为H面弯波导。使用扭波导可以改变传输波型的极化平面而保持波导的原方向不变。波导弯曲或扭转部分的截面略有变形就会使传播常数与未变形波导有所不同，从而引起失配。为使失配影响最小，弯波导或扭波导的长度可选为半波长的整数倍。

3）软波导

在波导线路中的某些位置有时采用弯波导或扭波导等作刚性连接不很方便，则可采用软波导，以起“软关节”连接的作用。它在馈线系统中还能调节因温度变化引起的馈线伸缩，对振动、转动起缓冲和稳定作用，使传输线路有一定的灵活性。软波导常用波纹金属管制成，其截面形状有圆、椭圆和矩形等，其中椭圆软波导也常作为主馈线使用。

4）阻抗变换元件

最基本的波导电抗单元有波导阶梯、膜片、销钉和螺钉等。波导中的不均匀性类似于能量存储器。膜片配置于波导横截面上，有对称、不对称和单片等型式。电容膜片可存储电能，等效电纳为容性。电感膜片和销钉可存储磁能，等效电纳为电感性。螺钉是可调电抗性元件，调节插入波导的深度可使电纳从电容性到电感性连续改变（图3）。但螺钉插入过深会引起损耗、击穿和打火等现象，因而这种可调螺钉一般只作为可调容抗元件使用。 

波导不均匀性电抗元件

5）波导接头

在众多的波导元件之中，各种类型的波导接头常常起核心作用。它可以将多个波导元件连接在一起构成微波电路，使电磁波的几种波型的功率按一定比例关系分配在各种元件之间。由波导元件连接成的微波电路不仅取决于它所包含的元件及其连接方式，还与接头的几何结构有关。

第三节 国内外生产技术发展趋势分析

1、石英光波导以其优良的特性受到了光通信市场的青睐，特别是在主干网上，而且随着价格的不断下降和FTTX的发展，石英光波导的前景也是很光明的。但是其生产难度较大，成膜工艺较难，主要有火焰堆积法和化学汽相沉积法制备的，所以这样的公司比较少，主要有日本的NTT下属公司NEL，NHK公司（现已被欧姆龙公司购买），Hitachi Cable，Woorio等，韩国的PPI公司（日本NHK的技术），美国的Neophotonics，ColorChip，JDSU，Gemfire ，英国Bookham ，法国的TeemPhotonics等等。

2、基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP的半导体光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。

3、聚合物光波导是近年来研究的热点，该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。目前国内用于光波导的聚合物材料很少，而且性能上还处于较低的水平。聚合物光波导开发的公司也不少，日本有欧姆龙，Center Class，SENKO，美国有DuponPhotonics ，Gemfire，德国HHI公司等等。

4、LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。LiNbO3光波导在军事上的用处是非常重要的，大家都知道导航系统需要有光纤陀螺，光纤陀螺最主要的器件就是LiNbO3光波导，他影响着光纤陀螺的精度。导弹的精度就是靠光纤陀螺来控制的，目前国内的光纤陀螺的精度与国外还有很大的差距。




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