4. TFLN无源器件集成

薄膜铌酸锂（TFLN）相干收发器的有源调制区决定了带宽与驱动电压，而无源器件网络则决定了整个链路的插损预算、分光比精度、偏振/模式兼容性与波长复用能力。在TFLN平台上，无源器件通常由刻蚀后的脊型或条型波导构成，其几何尺寸、侧壁角、刻蚀深度与薄膜厚度共同决定了有效折射率、耦合长度与相位误差。本节围绕四类关键无源器件展开：定向耦合器（DC）、多模干涉器（MMI）、阵列波导光栅（AWG）以及片上模式转换器，重点说明设计参数、制备容差与工程判断依据。

一、定向耦合器：耦合长度与分光比的精确控制

定向耦合器由两条平行波导构成，通过倏逝场耦合实现分光。其核心参数是耦合系数κ与耦合长度L，满足交叉端口功率比 P_cross/P_in = sin²(κL)。在TFLN中，波导间距g通常取0.6～1.0 μm，耦合区长度L由目标分光比反推。例如设计3 dB耦合器时，需满足κL = π/4，若仿真得到κ = 0.15 μm⁻¹，则L ≈ 5.24 μm。实际制备中，电子束光刻与反应离子刻蚀带来的线宽偏差Δw会显著改变κ，典型灵敏度约为每纳米线宽变化引起κ变化0.5%～1.5%。因此，工程上常采用弯曲耦合或引入相位调节电极来补偿。判断耦合器是否合格，可测试两输出端的分光比与附加损耗：3 dB耦合器分光比偏差应控制在±0.3 dB以内，附加损耗低于0.2 dB。

二、多模干涉器：自成像与带宽的权衡

MMI基于多模波导中的自成像效应，输入场在传播一定距离后周期性地复现。对于1×2 MMI，其拍长 L_π = 4 n_eff W_MMI² / (3λ)，其中W_MMI为多模区宽度，n_eff为有效折射率。以TFLN条型波导为例，λ = 1550 nm，n_eff ≈ 2.2，若W_MMI = 6 μm，则L_π ≈ 68 μm。MMI的优点是容差好、带宽宽，但尺寸较大，且高阶模式激发会引入相位误差。制备中需关注多模区侧壁粗糙度与输入输出波导的对准精度。测试时，通过扫描波长观察输出端消光比，若在1520～1580 nm范围内消光比优于15 dB，则认为MMI性能良好。

三、阵列波导光栅：波长复用与相位误差管理

AWG是相干收发器中实现波分复用的核心器件，由输入/输出波导、自由传播区（FPR）和阵列波导组成。其工作原理是：不同波长在阵列波导中积累不同相位，经输出FPR聚焦到不同输出端口。设计关键包括阵列波导数量N、相邻波导长度差ΔL、衍射级次m与信道间隔Δλ。关系式为 ΔL = mλ_c / (2 n_g)，其中n_g为群折射率。以100 GHz信道间隔、中心波长1550 nm为例，若n_g ≈ 2.3，m取30，则ΔL ≈ 10.1 μm。TFLN的AWG制备难点在于阵列波导的相位误差控制：刻蚀深度不均、侧壁粗糙度与薄膜厚度波动都会引入相位偏差，导致串扰恶化。通常要求相位误差小于π/10，对应长度误差小于20 nm。测试时，通过光谱仪观察各输出信道的中心波长与串扰，典型指标为插入损耗<3 dB、相邻串扰<-25 dB。

四、片上模式转换器：从TE₀到TE₁的绝热演化

在TFLN平台上，模式转换器用于实现基模与高阶模之间的转换，常用于模式复用或与不同模场尺寸的光纤/器件耦合。常见结构为绝热锥形或弯曲方向耦合器。以TE₀→TE₁转换为例，采用非对称定向耦合器结构：两条波导宽度不同，通过逐渐改变间距或宽度，使基模从窄波导绝热耦合到宽波导的高阶模。设计时需满足绝热条件，即模式演化速度小于耦合强度。典型参数：窄波导宽度0.8 μm，宽波导宽度1.6 μm，耦合区长度约50～100 μm。制备中，侧壁角与刻蚀深度直接影响模式有效折射率差，进而影响转换效率。测试时，通过模式解复用器或红外相机观察输出光斑，转换效率高于90%即认为合格。

五、制备容差与测试判断

四类无源器件在TFLN平台上的制备共享同一套工艺链：电子束光刻定义图形、反应离子刻蚀形成脊型波导、二氧化硅上包层沉积。关键容差来源包括：线宽偏差（±5 nm）、刻蚀深度偏差（±10 nm）、侧壁粗糙度（<5 nm RMS）以及薄膜厚度均匀性（±3 nm）。这些偏差会分别影响DC的耦合系数、MMI的拍长、AWG的相位误差和模式转换器的绝热条件。工程上，通常在设计阶段预留可调参数，例如在DC耦合区引入热光或电光相位调节，在AWG阵列波导中预留长度微调区。

测试方面，建议按以下顺序进行：先测直波导损耗，确认工艺基线；再测DC分光比与MMI消光比，判断基本分束功能；然后测AWG信道谱，评估波长对准与串扰；最后测模式转换器输出光斑，确认模式纯度。若某一环节指标不达标，应优先排查该器件对应的关键尺寸，而非盲目调整全局工艺。例如，AWG串扰恶化通常指向阵列波导相位误差，需检查刻蚀深度均匀性；DC分光比偏差则优先检查耦合区线宽与间距。

综上，TFLN无源器件集成并非简单的“画版图—流片—测试”，而是需要在设计阶段就理解各器件的物理机制与容差敏感度，在制备阶段控制关键尺寸，在测试阶段建立清晰的判断依据。定向耦合器关注耦合长度与分光比，MMI关注拍长与带宽，AWG关注相位误差与串扰，模式转换器关注绝热条件与模式纯度。四者共同构成相干收发器的无源光路基础，其性能直接决定后续有源调制与探测的可用性。