平板光波導(dǎo)的利用面非常有限，因為它只能導(dǎo)引光波沿著一個固定的方向傳播，這無疑限制了光波導(dǎo)的應(yīng)用；實際長用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為三維光波導(dǎo)，它能自由地將光波導(dǎo)引到任意想要的方向。目前在OEIC中常用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括矩形光波導(dǎo)和脊形光波導(dǎo)；其他光波導(dǎo)類型如金屬包層光波導(dǎo)、擴散光波導(dǎo)、質(zhì)子交換光波導(dǎo)等在光子或光電子集成回路中基本不用，所以本節(jié)著重敘述脊形和矩形兩種光波導(dǎo)。

　　矩形光波導(dǎo)和脊形光波導(dǎo)的剖面如圖1（a）、（b）所示。

　　我們來分析矩形光波導(dǎo)。由于矩形光波導(dǎo)的對稱性，所以其偏振特性較好，模場對稱性也好。設(shè)矩形光波導(dǎo)包層折射率為1.46，芯層折射率為3.5，矩形長寬均設(shè)為1，波長取λ0＝1.55 gm可以求解出基模的分布，如圖2所示?？梢钥闯?，其模場對稱性很好。

　　圖1  矩形光波導(dǎo)和脊形光波導(dǎo)的截面圖

　　但是矩形光波導(dǎo)較脊形光波導(dǎo)來說并不常用，其主要原因有兩個：一是因為矩形光波導(dǎo)對光波導(dǎo)側(cè)壁的光滑程度非常敏感，從圖2可以看出，光場存在于上、下、左、右四個壁上，如果刻蝕導(dǎo)致側(cè)壁比較粗糙，則光波導(dǎo)損耗加大；尤其是在小尺寸的光波導(dǎo)中，情況更為明顯，因為此時側(cè)壁處的光場能量還是比較大；而對于脊形光波導(dǎo)來說，光場絕大部分能量集中在平板區(qū)（如圖4所示），受側(cè)壁影響較小，所以與刻蝕工藝的相關(guān)性不大。二是因為有些光波導(dǎo)器件要求與光纖連接，我們知道，單模光纖的直徑約為8～10 gm，而為了與光纖進(jìn)行低損耗的耦合，光波導(dǎo)模場和光纖模場的重疊積分應(yīng)越大越好，這就要求光波導(dǎo)的截面同光纖的截面相近；而這樣大的尺寸如果做成矩形光波導(dǎo)，則無論對光刻、刻蝕還是上包層的覆蓋，都是一個難度很大的問題，而脊形光波導(dǎo)卻可以部分地解決這個問題。因為脊形光波導(dǎo)可以通過刻蝕較小的深度來獲得較大的模場尺寸。但是隨著光刻刻蝕的提高和某些使得光波導(dǎo)壁光滑的工藝的引進(jìn)，矩形光波導(dǎo)在光電子集成回路中的研究還是很熱，因為它的尺寸可以做得更小。

　　無論是在大截面還是小截面的光波導(dǎo)器件中，脊形光波導(dǎo)的應(yīng)用都較為廣泛。與矩形光波導(dǎo)相比，其優(yōu)點在前面已經(jīng)說明，其缺點是它的偏振特性較矩形光波導(dǎo)差；另外，還有一個缺點可以通過脊形光波導(dǎo)的有效折射率求解其單模條件來說明。

　　對于SOl脊形光波導(dǎo)的單模條件問題，分為大截面和小截面兩種情況，而這兩種情況并沒有明確的分界線，還和所取材料的相對折射率差等參數(shù)有關(guān)。以下討論的情況限于光波導(dǎo)上包層為空氣的情況，其余情況可用更的模擬軟件進(jìn)行模擬。對于大截面情況，Soref等人［4］在Petermann［4］提出的模匹配技術(shù)的基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)擬合的方法得出了脊形光波導(dǎo)在單模工作時，W，H，尼三者應(yīng)該滿足條件式（4－85），光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖2  矩形光波導(dǎo)TB模分布

　　圖3  脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

　　式中，如果r>0.5，則保證了y方向的單模特性。當(dāng)光波導(dǎo)滿足這個條件時，內(nèi)脊區(qū)中高階模在y方向上的有效折射率就會小于外脊區(qū)基模的有效折射率，這樣內(nèi)脊區(qū)中垂直方向的高階模就會泄漏出光波導(dǎo)區(qū)，轉(zhuǎn)化為外脊區(qū)的基模。這里需要注意一下，內(nèi)脊區(qū)的高階模泄漏到外脊區(qū)是需要一個過程的，時間的長短與外脊區(qū)基模有效折射率與內(nèi)脊區(qū)高階模有效折射率之差來決定，相差越大，逃逸速度越快；反之相差越小，逃逸速度越慢；Reed等人利用數(shù)值模擬的方法對H＝1～1.5pm的SOl脊形光波導(dǎo)的單模特性進(jìn)行分析，給出了單模弱偏振脊形光波導(dǎo)的擬合條件：

　　式中，0.3<r<0.5,保證y方向單模特性和弱偏振的條件。偏振特性與光波導(dǎo)截面大小很有關(guān)系，這是因為當(dāng)光波導(dǎo)截面較大時，光波導(dǎo)邊緣功率能量較小，絕大部分光場能量限制在芯層區(qū)，無論是對TE模還是TM模來說，光波導(dǎo)邊緣對光場影響較小，所以兩者無大差別；而當(dāng)光波導(dǎo)截面較小時，模場相當(dāng)一部分能量存在于光波導(dǎo)邊緣，也就是說光波導(dǎo)邊緣的特性對光場有較大影響，而TE模和TM模的電場矢量對應(yīng)于不同的邊緣，所以二者所受影響不同，這就產(chǎn)生了偏振相關(guān)特性。式（4－86）的0.3<r<0.5的條件是針對弱偏振提出的，而當(dāng)r>0.5時，單模條件依然成立，只是模場的偏振相關(guān)性會較強。

　　下面簡要分析一下脊形光波導(dǎo)截面尺寸差異導(dǎo)致單模條件差異的原因。

　　事實上，脊形光波導(dǎo)在y方向上的單模條件不僅與r有關(guān)，還與光波導(dǎo)的寬度有關(guān)，可以設(shè)想一下極限情況，如光波導(dǎo)寬度減為零，則不可能有模式在其中傳播；而對于大截面脊形光波導(dǎo)，寬度對單模特性影響較小，所以有r>0.5的條件；而對于小截面脊形光波導(dǎo)，寬度對單模特性影響就比較大了，此時即使在r<0.5時也可能由于光波導(dǎo)寬度較小而抑制高階模，所以小截面脊形光波導(dǎo)的r取值范圍更寬。

　　另外，還有一點需要注意，上面討論的單模條件都是針對上包層為空氣所確定的，對于其他包層材料還應(yīng)具體問題具體分析，利用更的模擬軟件進(jìn)行模擬。

　　下面給出SOl脊形光波導(dǎo)的實例。取脊寬4μm，內(nèi)脊高6μm，外脊高4μm，上包層為二氧化硅。光波導(dǎo)基模如圖4所示。

　　圖4   脊形光波導(dǎo)基模模場

　　可以看出，光場的絕大部分能量被限制在平板區(qū)，受側(cè)壁影響較小。

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