3. TFLN光波导设计与制造

薄膜铌酸锂（TFLN）相干光收发器的性能上限，很大程度上由片上光波导决定。与硅光常用的 220 nm 硅波导不同，TFLN 的折射率对比度约为 2.2（nLN≈2.2，包层 SiO₂≈1.45），单模约束能力弱于硅，因此波导几何、刻蚀深度与侧壁质量直接决定弯曲半径、模场尺寸、耦合损耗和传播损耗。本节围绕结构选型、刻蚀实现与损耗/模场表征三条主线展开。

一、脊型与加载型波导结构

TFLN 波导的两种主流形态是脊型波导（ridge waveguide）和加载型波导（loaded waveguide）。脊型波导通过部分刻蚀 LN 薄膜形成凸起，两侧保留一定厚度的平板（slab），光场主要被凸起区域和下方平板共同约束。典型参数：LN 薄膜厚度 300–600 nm，刻蚀深度 150–300 nm（即保留 100–300 nm 平板），脊宽 600–1200 nm。刻蚀越深，横向折射率对比度越大，弯曲半径可缩小到 30–80 μm，但过深会削弱与光纤的模场匹配，并增加侧壁散射。

加载型波导则是在 LN 薄膜上沉积一层高折射率材料（如 Si₃N₄、TiO₂ 或非晶硅）作为加载条，光场主要被加载条下方的 LN 区域引导。其优点是 LN 无需深刻蚀，侧壁粗糙度对损耗影响较小，适合低损耗长距离传输；缺点是纵向电场与 LN 的交叠积分偏低，调制效率（Vπ·L）通常不如脊型。工程上常见折中方案是“浅脊 + 加载条”混合结构：先刻蚀 80–120 nm 浅脊，再沉积 100–200 nm Si₃N₄ 加载条，兼顾约束与损耗。

选型判断：若目标是高密度调制器阵列（弯曲半径 < 50 μm），优先脊型；若目标是低损耗延迟线或窄线宽外腔，优先加载型或混合型。

二、刻蚀工艺与侧壁粗糙度控制

TFLN 刻蚀的难点在于 LN 化学稳定性强、刻蚀产物（LiF、NbF₅）挥发性差，容易在侧壁再沉积形成“草状”粗糙面。主流工艺是Ar 基反应离子束刻蚀（RIBE/ICP-RIE），气体组合通常为 Ar/CHF₃ 或 Ar/C₄F₈，配合 Cl₂ 可提高刻蚀速率。关键控制点如下：

  • 掩模选择：Cr 硬掩模（80–150 nm）比光刻胶抗刻蚀比更高，侧壁更垂直；Ni 掩模速率高但易引入金属污染。
  • 刻蚀温度：衬底温度 100–200 ℃ 可促进产物挥发，减少侧壁再沉积，粗糙度可降低约 30%。
  • 钝化与刻蚀平衡：适当增加 CHF₃ 流量形成侧壁聚合物钝化，抑制横向钻蚀，但过量会导致侧壁倾斜和残留。
  • 后处理：刻蚀后用稀释 HF 或 O₂ 等离子体清洗，去除侧壁残留物，再沉积 SiO₂ 包层。

侧壁粗糙度通常用原子力显微镜（AFM）或扫描电镜（SEM）侧视测量，以均方根粗糙度 σ 表征。经验上，σ 从 5 nm 降到 1 nm，传播损耗可从约 1.5 dB/cm 降至 0.3 dB/cm 量级。因此，工艺优化的核心指标就是 σ 与侧壁垂直度。

三、波导损耗与模场特性表征

波导损耗分为传播损耗和耦合损耗。传播损耗主要来自侧壁散射和材料吸收，常用截断法（cut-back）测量：在同一芯片上制作长度 L₁、L₂ 的两组波导，测输出功率 P₁、P₂，则 α = 10·log₁₀(P₁/P₂)/(L₂−L₁)。示例：L₁=5 mm、L₂=15 mm，测得 P₁=−8.2 dBm、P₂=−11.6 dBm，则 α ≈ 0.34 dB/cm。该值属于合理示例，实际需扣除耦合损耗一致性误差。

耦合损耗用光纤-波导-光纤结构测量，结合模场直径（MFD）反推。TFLN 脊型波导的 MFD 通常为 1–3 μm（水平）× 0.8–1.5 μm（垂直），与标准单模光纤（MFD≈10.4 μm）失配严重，需通过倒锥（inverse taper）或透镜光纤过渡。倒锥尖端宽度 80–150 nm、长度 100–300 μm，可将耦合损耗压到 1–2 dB/端面。

模场特性表征手段包括：近场扫描（测 MFD 与模场形状）、法布里-珀罗（FP）谐振法（由自由光谱范围 FSR 和消光比反推群折射率与损耗）、以及光频域反射（OFDR）（定位损耗分布）。FP 法示例：波导长 10 mm，测得 FSR=0.018 nm，则群折射率 ng=λ²/(2L·FSR)≈2.1，与仿真值对比可判断模场是否被正确约束。

TFLN 波导结构截面与损耗/模场表征链路 脊型波导截面 SiO₂ 包层 LN 脊 平板 slab Si 衬底 W=600–1200 nm h=150–300 nm 加载型波导截面 SiO₂ 包层 Si₃N₄ 加载条 LN 平板（未刻蚀） Si 衬底 侧壁粗糙度控制 Ar/CHF₃ ICP-RIE 温度 100–200 ℃ Cr 硬掩模 80–150 nm σ: 5 nm → 1 nm 损耗: 1.5 → 0.3 dB/cm 损耗与模场表征链路 截断法 (Cut-back) L₁=5 mm, P₁=−8.2 dBm L₂=15 mm, P₂=−11.6 dBm α ≈ 0.34 dB/cm 耦合与倒锥 MFD: 1–3 μm × 0.8–1.5 μm 倒锥尖端 80–150 nm 耦合损耗 1–2 dB/端面 FP 谐振法 L=10 mm, FSR=0.018 nm n_g = λ²/(2L·FSR) ≈ 2.1 对比仿真判断约束 结果判断 α < 0.5 耦合 < 2 dB n_g 匹配 注：图中数值为教学示例参数，实际需结合工艺批次与测试校准

四、工程闭环与判断依据

把上述内容串成一次完整的波导开发闭环：先根据目标弯曲半径和调制效率选定结构（脊型/加载型/混合），确定 W、h、slab 厚度；再用 ICP-RIE 刻蚀并控制 σ；最后通过截断法、FP 法和近场扫描分别得到 α、ng 和 MFD。判断标准可归纳为：传播损耗 α < 0.5 dB/cm、单端耦合损耗 < 2 dB、实测 ng 与仿真偏差 < 5%、MFD 与设计值偏差 < 15%。若 α 超标，优先排查侧壁粗糙度与包层沉积质量；若耦合损耗超标，优先优化倒锥尖端宽度与长度；若 ng 偏差大，则需回查刻蚀深度与薄膜厚度均匀性。

注意：TFLN 刻蚀后侧壁若暴露在空气中，会吸附水汽和碳氢污染物，导致损耗随时间漂移。建议刻蚀后 24 h 内完成 SiO₂ 包层沉积，或先做 O₂ 等离子体清洗再临时钝化。

综上，TFLN 波导设计制造的核心是“结构定约束、刻蚀定损耗、表征定闭环”。只有把截面几何、侧壁质量和模场测试三者对齐，才能为后续调制器、耦合器和相干接收前端提供稳定可靠的片上光路基础。

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