3. TFLN PDK组成与文件结构

薄膜铌酸锂（TFLN）PDK 与硅光 PDK 最大的差别，在于它必须同时描述“电光效应”和“光波导”两套物理量：前者决定调制效率、半波电压与带宽，后者决定模场、损耗与耦合。因此 TFLN PDK 不是一堆版图单元的集合，而是一套把工艺能力、器件模型、设计规则和仿真验证串起来的文件体系。理解它的目录组织，本质上是在理解“设计数据从哪来、经过谁、最后交给谁验证”。

本节先给出一个可落地的目录骨架，再逐层说明每类文件的职责与关键字段。

一、PDK 目录组织：按“工艺—器件—规则—验证”分层

一个典型的 TFLN PDK 根目录通常命名为 tfln_pdk_<foundry>_<node>，例如 tfln_pdk_ime_800nm，其中 800nm 指铌酸锂薄膜厚度。目录内部按职责分层，而不是按工具分层，这样同一份工艺数据可以被版图、仿真和验证工具共享：

tfln_pdk_ime_800nm/
├── tech/                 # 工艺规范与层定义
│   ├── tfln_tech.yaml    # 层号、材料、厚度、刻蚀深度
│   ├── layer_map.csv     # GDS layer/datatype 映射表
│   └── stack.toml        # 纵向膜层堆叠（LN/SiO2/Si）
├── devices/              # 器件模型库
│   ├── passive/          # 波导、弯曲、MMI、光栅
│   ├── active/           # MZM、调制器、探测器
│   └── models/           # SPICE/Verilog-A/紧凑模型
├── drc/                  # 版图设计规则
│   ├── tfln.drc          # 规则主文件
│   └── rules.yaml        # 参数化规则（最小间距等）
├── lvs/                  # 版图与原理图一致性
│   └── tfln_lvs.lvs
├── simulation/           # 仿真模型与验证 decks
│   ├── optical/          # FDTD/FDE 模板
│   ├── electrical/       # 电极与行波电极模型
│   └── verification/     # 验证 deck 与测试用例
└── examples/             # 参考设计

这个结构的关键在于：tech/ 是唯一事实来源，devices/ 引用它，drc/ 和 lvs/ 校验它，simulation/ 则用同一套层定义去驱动仿真。任何一层改动，都必须能追溯到 tech/。

二、工艺规范文件：层定义与纵向堆叠

工艺规范文件回答三个问题：有哪些层、每层多厚、刻蚀到哪。以 800nm LN 平台为例，tfln_tech.yaml 中会定义：

layers:
  - name: LN_WG
    gds_layer: 1
    datatype: 0
    material: LiNbO3
    thickness_nm: 800
    etch_depth_nm: 400      # 脊型波导刻蚀深度
  - name: ELECTRODE
    gds_layer: 10
    datatype: 0
    material: Au
    thickness_nm: 500
  - name: SLAB
    gds_layer: 2
    datatype: 0
    material: LiNbO3
    thickness_nm: 400

这里 etch_depth_nm 直接决定波导的等效折射率与模场限制，是后续仿真模型的输入。若刻蚀深度从 400nm 改为 300nm，波导的侧壁散射损耗和弯曲半径都会变化，因此工艺规范文件必须与器件模型库保持版本一致。

三、器件模型库：从版图单元到紧凑模型

器件模型库分为被动与主动两类。被动器件如直波导、弯曲波导、MMI 分束器、光栅耦合器，通常以参数化单元（PCell）形式提供，参数包括宽度、弯曲半径、周期数等。主动器件如马赫-曾德尔调制器（MZM），除了版图单元，还必须附带紧凑模型，用于电路级仿真。

以 MZM 为例，其紧凑模型至少需要以下参数：

这些参数不是随意填写的，它们来自 simulation/ 中的 FDE/FDTD 仿真或流片测试数据。模型库的职责是把这些物理量封装成设计者可以直接调用的接口。

四、版图设计规则：TFLN 特有的约束

TFLN 的 DRC 规则与硅光有显著差异，主要体现在三个方面：

• 电极与波导间距：由于铌酸锂是电光材料，电极必须靠近波导以施加电场，但太近会引入光吸收损耗。典型规则要求电极边缘距波导侧壁不小于 1.5μm。
• 刻蚀深度一致性：同一芯片上不同区域的刻蚀深度偏差需控制在 ±20nm 以内，否则波导相位误差会累积。
• 弯曲半径：受限于 LN 与 SiO2 的折射率差，单模弯曲半径通常不小于 30μm，规则中会给出最小半径检查。

这些规则写在 tfln.drc 中，以参数化形式暴露，例如 MIN_ELECTRODE_WG_SPACING = 1.5um，方便不同项目按需调整。

五、仿真模型与验证 decks：闭环的最后一环

验证 deck 是 PDK 中容易被忽视但最关键的部分。它把工艺规范、器件模型和设计规则串成可执行的检查流程。一个典型的验证 deck 包含：

1. 光学验证：用 FDE 求解波导模式，检查 n_eff 与模型库是否一致；用 FDTD 验证 MMI 分束比与插损。
2. 电学验证：用 SPICE 仿真 MZM 的 S21 带宽，检查行波电极的阻抗匹配。
3. 联合验证：将光学与电学结果代入紧凑模型，仿真眼图，判断消光比与抖动是否满足指标。

验证 deck 的输出不是“通过/失败”两个字，而是一组可追溯的数据：n_eff 偏差、VπL 偏差、带宽偏差。设计者根据这些偏差决定是修改版图、调整工艺参数，还是接受当前结果。

总结来看，TFLN PDK 的文件结构不是简单的目录堆叠，而是一条从工艺定义到器件模型、再到版图规则和仿真验证的数据链。理解这条链的走向，才能在设计中快速定位问题：当仿真结果与预期不符时，知道该去 tech/ 查层定义，还是去 devices/ 查模型参数，或是去 drc/ 查规则约束。这种定位能力，比记住目录名称更重要。