薄膜铌酸锂光波导 vs. 传统铌酸锂波导：基于台阶仪的波导刻蚀深度与损耗差异分析

随着光子集成技术（PIC）的发展，复杂光波导（如Y分支、S弯曲）成为实现器件微型化的关键，但传统铌酸锂体材料折射率差小、光束缚弱，而薄膜铌酸锂（LNOI）虽平台优良却因硬度大、化学惰性强，导致光刻与刻蚀工艺中特征尺寸难以控制、传输损耗较高。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本文系统采用截断法、光时域反射仪及光功率计测试系统等多种损耗表征方法，结合有限差分特征模态（FDE）仿真分析弯曲波导的辐射损耗，并利用扫描电子显微镜和台阶仪实现波导形貌与厚度的微纳表征。通过优化光刻与ICP-RIE刻蚀工艺，成功制备出LNOI复杂波导样片，实测光刻后线宽2.438 μm、刻蚀后线宽2.088 μm、刻蚀深度约205 nm；搭建光功率计测试平台测得光路系统固有损耗7.04 dB，并采用直波导与弯曲波导线路差值法获得Y分支和双圆弧弯曲波导的传输损耗，为低损耗复杂波导的工艺验证提供了可靠手段。

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光波导基本原理

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光波导中光波传输示意图

光波导利用芯层与包层之间的折射率差，将光波束缚在导光层内实现低损耗定向传输。LNOI波导属于平板波导，由铌酸锂（LN）薄膜层（折射率较高）、SiO₂埋氧层（折射率较低）和硅衬底构成。LN与SiO₂的折射率差可达0.7，使光在垂直方向被有效限制在亚微米尺度的薄膜中。当入射角满足全反射条件时，光波可在波导内稳定传输。

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平板光波导波动光学理论

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从麦克斯韦方程组出发，推导出电磁场的矢量波动方程。假设光波沿z方向传播，电场和磁场可表示为时谐形式。通过亥姆霍兹方程，引入传播常数β，得到TE模和TM模的场分量表达式。对于TE模，仅存在Ey、Hx、Hz分量；对于TM模，仅存在Hy、Ex、Ez分量。求解本征方程可获得LN平板波导的模式特性。

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光波导分类与有效折射率法

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光波导类型(a)平板波导(b)圆柱形波导(c)加载条型波导(d)脊型波导

光波导按结构分为平板波导、圆柱形波导、条形波导（包括矩形波导和脊形波导）。LNOI片上常用脊形波导，有效折射率法将二维矩形波导分解为水平和垂直方向上的平板波导组合，分别求解TE和TM模的色散方程，从而获得整体结构的等效折射率。

弯曲矩形波导及其坐标表示：(a)剖面示意图；(b) y方向等效平板波导；(c) x方向上的等效平板波导

对于弯曲矩形波导，其色散方程如下式所示，可计算不同模式下的有效折射率。

色散方程

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铌酸锂晶体电光效应

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LN晶体的不同切向

铌酸锂是一种各向异性介质，其电光效应表现为外加电场引起折射率变化。通过折射率椭球方程和线性电光系数矩阵，可推导出电场方向对折射率的影响。以z方向加电场为例，寻常光和异常光的折射率变化分别为Δn₀ = -½ n₀³γ₁₃Ez 和 Δnₑ = -½ nₑ³γ₃₃Ez，其中γ₃₃是最大的电光系数，广泛应用于电光调制器。LN晶体按切割方向分为x-切、y-切和z-切三种，不同切向影响器件的性能。

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时域有限差分法（FDTD）

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电场和磁场的递归表达式

FDTD是分析LNOI光波导模式和传输特性的常用数值方法。它将电场和磁场在时间和空间上离散化，将麦克斯韦方程组转化为差分方程迭代求解。仿真中需注意网格划分精细度和边界条件设置，通常采用完美匹配层（PML）吸收出射光波。通过FDTD可得到电场和磁场的递归表达式，从而求解光场分布。

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波导损耗测试方法

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直波导传输损耗与长度之间的关系

截断法：对于直波导，传输损耗与波导长度成正比：L(x)=k·x+s。通过测量两段不同长度波导的总损耗，可求出传输损耗系数k = [L(B)-L(A)]/[x(B)-x(A)]。

光时域反射仪测试原理图

光时域反射仪（OTDR）：OTDR利用光纤/波导中反向散射和反射信号来监测链路状态，它适用于长距离光纤链路的损耗分析，但不适合复杂波导的局部损耗测试。

光功率计损耗测试系统示意图

光功率计损耗测试系统：该系统由激光器、多维调节架、光纤和光功率计组成。测试时，激光器输出光经单模光纤耦合至波导输入端，输出端经光纤接入光功率计。通过测量有无波导时的功率变化，并结合系统固有损耗，可计算出波导的传输损耗。该方法对复杂波导更便捷实用。

求解麦克斯韦方程组：上：直波导、下：弯曲波导，采用柱坐标下的本征模形式

有限差分特征模态（FDE）：FDE是MODE Solutions软件中的求解器，通过在波导横截面上求解麦克斯韦方程，获得模式的空间分布和有效折射率。FDE可仿真不同弯曲半径对应的辐射损耗，为波导设计提供依据。

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微纳表征技术

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扫描电子显微镜（SEM）：本文采用SEM观测波导形貌。该设备最高分辨率达0.7 nm。对于导电性较差的LNOI样品，需喷金或粘贴导电胶带以避免电荷积累。

台阶仪：采用Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪测量波导膜厚和粗糙度，其原理是触针沿样品表面滑动，将峰谷变化转化为电信号，经放大、解调和滤波后得到表面轮廓数据。测量时样品应无粘性或流动性。

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LNOI复杂光波导微纳表征

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光刻后性能测试

(a)图案1光刻后整体样片结构；(b)图案1光刻后局部图案结构；(c)图案2光刻后局部图案结构

选用厚度为400 nm的LNOI芯片，经磁控溅射镀300 nm厚的Cr层作为掩膜，然后使用线宽为2.0 μm的掩模版在SUSS MJB4光刻机上进行套刻，完成光刻、曝光、显影、烘干等工艺流程。整体轮廓较完整，但膜层上有灰尘斑点，需保证无尘环境。

光刻后 PosCam 下测出的复杂波导线宽

光刻后台阶仪测试复杂波导的厚度

利用PosCam软件测量光刻后的局部波导线宽，测得线宽为2.438 μm。用台阶仪对光刻后波导进行表征，步进速度为0.05 mm/s。台阶跳跃处高度为286.5 nm，与Cr膜厚度基本相当。

ICP-RIE刻蚀后波导表征

刻蚀后的LNOI复杂波导图形

采用电感耦合等离子体刻蚀机（ICP-RIE）对光刻后样片进行刻蚀，刻蚀完成后，将样片浸泡于Cr腐蚀液中2小时去除剩余Cr层，随后依次用清水、丙酮、酒精清洗，使复杂波导图案转移至LNOI衬底层。

刻蚀后 PosCam 下测出的复杂波导线宽

LNOI 复杂波导局部分叉处图像

用PosCam软件测量刻蚀后的波导线宽，测得宽度为2.088 μm，S弯曲波导的弯曲半径为25.109 μm。刻蚀后线宽略低于光刻线宽，说明刻蚀后的宽度受光刻分辨率限制，验证了工艺各步骤之间的密切相关性。在多维观察系统下，整体线条齐整，但局部放大后可见复杂结构连接处的断续和粗糙，其波导宽度和连续性明显低于简单元结构，这也是目前LNOI复杂波导工艺尚未解决的难题之一。

刻蚀后台阶仪测试复杂波导的厚度

用台阶仪对刻蚀后波导进行表征，跳跃处高度为205.1 nm，与设计值吻合。

本文围绕LNOI片上复杂光波导，从理论、工艺与测试三方面研究。理论上，由麦克斯韦方程推导平板波导TE/TM模本征方程，结合折射率法建立矩形波导色散方程，用FDTD和FDE仿真量化脊弯曲波导模场与辐射损耗。工艺上，经光刻和ICP-RIE刻蚀制备，光刻后线宽2.438 μm，刻蚀后收窄至2.088 μm、台阶高度205.1 nm，与设计值吻合；Y分叉等复杂结构处线宽一致性和边壁连续性不足，为工艺主要瓶颈。测试上，以光功率计法标定平台固有损耗7.04 dB，并用Y分支分光比和双圆弧弯曲波导差分损耗测试评估传输性能，结果可与仿真互验，为后续工艺优化提供依据。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

Flexfilm费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《薄膜铌酸锂复杂波导关键工艺研究》

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