4. TFLN光波导基础与设计规则
薄膜铌酸锂（TFLN）光波导是整套PDK的物理底座。与硅光常用的220 nm SOI平台不同，TFLN通常是在SiO₂埋氧层上键合一层几百纳米厚的单晶铌酸锂薄膜，再通过刻蚀形成脊型或条型波导。由于LiNbO₃的折射率约为2.2（1550 nm，no），而包层SiO₂约1.44，折射率差并不像Si/SiO₂那样悬殊，因此TFLN波导的横向限制较弱，单模条件、弯曲半径和刻蚀深度之间的关系比硅光更敏感。本节围绕单模条件、弯曲损耗、侧壁角、宽度与刻蚀深度选择，以及PDK中波导元件的调用方式展开。
一、单模条件：从平板到脊型波导
判断单模，本质是判断波导在横向和纵向是否只支持一个基模。对TFLN脊型波导，常用等效折射率法（EIM）先做近似估算：把三维脊波导分解为横向平板波导与纵向等效平板波导，分别求TE₀、TE₁的截止条件。工程上更直接的做法是看两个量：薄膜厚度H和脊宽W。
以X切TFLN、H = 400 nm、刻蚀深度d = 200 nm（即脊高200 nm、平板残余200 nm）为例，在1550 nm波长下，当W从0.8 μm增大到1.6 μm时，基模TE₀始终存在，而一阶模TE₁的截止宽度大约在1.2～1.4 μm附近。也就是说，若希望单模工作，脊宽通常取0.8～1.2 μm较为稳妥；若取1.5 μm以上，则可能出现多模，导致模式竞争和弯曲处模式耦合。需要强调，这些数值是示例性估算，实际截止宽度会随刻蚀深度、侧壁角、包层材料和波长变化，必须以PDK给出的模式求解结果为准。
单模条件还可用归一化频率V近似判断：V = (2πW/λ)·√(ncore² − nclad²)。当V < π时，平板波导只支持基模。对上述参数，neff,core约2.0、neff,clad约1.6，代入可得W约1.0 μm时V接近2.4，仍小于π，属于单模区。这个估算可用于快速筛选，但最终仍需全矢量模式求解确认。
二、弯曲损耗与最小弯曲半径
弯曲损耗来自模式场向弯曲外侧的辐射泄漏。弯曲半径R越小，等效折射率分布倾斜越厉害，泄漏越强。TFLN由于折射率差较小，弯曲损耗对R的敏感度高于硅光。经验上，在1550 nm、单模脊宽1.0 μm、刻蚀深度200 nm条件下，R = 30 μm时弯曲损耗可能达到每90°约0.1～0.5 dB；R = 50 μm时可降到0.01 dB量级；R = 100 μm以上基本可忽略。因此PDK通常给出“最小弯曲半径”规则，例如Rmin = 50 μm（示例值），低于该值DRC会报错。
降低弯曲损耗的常用手段有三种：一是增大R；二是采用偏移弯曲（offset bend）或欧拉弯曲，使曲率沿路径渐变，减少模式失配；三是在弯曲段适当加宽波导，增强限制。但加宽会破坏单模条件，因此需在弯曲段与直波导之间做锥形过渡。
三、侧壁角的影响
刻蚀形成的脊侧壁并非垂直，而是带有一定倾角θ（侧壁与水平面夹角）。θ越接近90°，模式限制越强，但工艺难度越大；θ偏小（如70°）会使脊的有效宽度变窄，模式向平板区泄漏，导致有效折射率下降、弯曲损耗上升。对TFLN，典型侧壁角在75°～85°之间。PDK中通常把侧壁角作为工艺角（process corner）参数，在模式求解和DRC中体现。设计时若发现仿真与流片结果偏差较大，应优先检查侧壁角是否与PDK假设一致。
四、波导宽度与刻蚀深度选择
宽度W和刻蚀深度d共同决定模式限制和单模性。一般规律是：d越大（脊越高），横向限制越强，弯曲损耗越小，但单模宽度上限也越小；d越小，平板残余越厚，模式更容易泄漏到平板，弯曲损耗增大。工程上常见的折中是d = 150～250 nm、W = 0.8～1.2 μm。若需要更小的弯曲半径（如R = 30 μm），可适当增大d到250 nm并减小W到0.8 μm，但需重新确认单模。
下表给出一组示例性参数组合，用于说明选择逻辑，并非实测数据：
| 方案 | W (μm) | d (nm) | 单模性 | R_min (μm) | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 1.0 | 200 | 单模 | 50 | 通用互连、调制器 |
| B | 0.8 | 250 | 单模 | 30 | 高密度弯曲 |
| C | 1.4 | 150 | 可能多模 | 80 | 低损耗直波导 |
五、PDK中波导元件的调用
在PDK中，波导通常以参数化单元（PCell）形式提供，例如TFLN_WG_RIDGE，关键参数包括width、etch_depth、sidewall_angle、layer。调用时需注意：一是波导层号必须与流片层定义一致；二是弯曲半径不能小于PDK规定的R_min；三是不同宽度波导连接时需插入锥形（taper）过渡，锥长通常取5～20 μm。以下是一个示例性调用片段：
wg = TFLN_WG_RIDGE(
width = 1.0, # μm
etch_depth = 0.2, # μm
sidewall_angle = 80, # degree
layer = "WG_CORE"
)
bend = wg.bend(radius = 50, angle = 90)
taper = wg.taper(width2 = 0.8, length = 10)综上，TFLN波导设计规则的核心是：在单模约束下，通过宽度、刻蚀深度和侧壁角的组合，平衡限制强度与弯曲损耗，并严格遵循PDK的PCell参数和DRC规则。理解这些参数之间的耦合关系，是后续调制器、耦合器和无源器件设计的基础。