空间光通信、核电站这类极端环境，对光子集成器件的可靠性要求非常苛刻。传统硅基波导抗辐照能力弱、化学稳定性差，撞上强辐照和高腐蚀就明显退化。费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文提出的 Ta₂O₅ 多层介质膜光波导，正好把这几个短板补齐：Ta₂O₅ 宽禁带，顶得住电离辐照损伤；本身又是致密的稳介质，耐腐蚀；传输损耗跟氮化硅一个量级，三阶非线性也高。它把 Ta₂O₅ 薄膜层与 SiO₂ 交替叠起来锁住光场，尺寸紧凑，工艺跟现有半导体产线对得上，往后能继续做成 FP 波导、光栅波导这类选模器件。强辐照、高腐蚀环境下的光通信和传感，用上它会比硅基波导稳得多。

原理与结构设计

做波导设计，核心就是算清楚光怎么传、有哪些传输模式、损耗和增益从哪来。本文用经典电磁理论：由麦克斯韦方程组推出平板波导的亥姆霍兹方程 d²U/dx² + (k₀²n² − β²)U = 0；三层板波导里，边界相位匹配要求 kcz = kfz = ksz = β，全内反射要求 k₀nc ≤ k₀ns < β < k₀nf，覆盖层和衬底的场由此呈指数衰减。再由薄膜-覆盖层、薄膜-衬底界面的切向场连续，导出 TE 模色散方程 tan(kfx·h) = (γs/kfx + γc/kfx)/(1 − γsγc/kfx²) 与 TM 模色散方程 tan(kfx·h) = (nf²γs/(ns²kfx) + nf²γc/(nc²kfx))/(1 − nf⁴γsγc/(ns²nc²kfx²))。

这波导折射率差大又叠了多层膜，经典近似解析会跑偏，所以改走 COMSOL 有限元全矢量仿真，解本征值拿到各导模的有效折射率和模场分布。本征损耗按 α = (40/ln10)·Im(neff)/λ₀ 算（单位 dB/cm），有效模式面积 Aeff = (∬|E|²dxdy)²/∬|E|⁴dxdy（单位 μm²），每一步仿真都过了网格收敛性验证。

多层介质膜光波导结构示意图

器件做在 Si 片上，SiO₂ 包层里夹着两层 Ta₂O₅ 把模场箍住，整片8 mm × 4 mm × 20 μm。Ta₂O₅ 和 SiO₂ 在 1550 nm 的折射率分别是 2.086 和 1.4658，差得挺大；加上 Ta₂O₅ 能稳定长出来的厚度一般得 10 nm 往上，所以才用多层膜的结构。后面在COMSOL里把上下两层 Ta₂O₅ 的宽度、厚度、间距挨个扫了一遍做优化。

氧化钽宽度与（a）基模有效折射率、（b）基模有效模式面积和（c）本征损耗的关系

氧化钽厚度与（a）基模有效折射率、（b）基模有效模式面积和（c）本征损耗的关系

先扫宽度：厚度钉在 30 nm、间距 1 μm，从 1 扫到 6 μm。基模有效折射率随宽度往上走，1~5 μm 能稳稳传基模，2~5 μm 本征损耗偏低。再扫厚度：间距 1 μm、宽 3 μm，从 10 扫到 60 nm。膜越厚把光箍得越紧，模面积和本征损耗都往下掉、有效折射率往上走；到 70 nm 冒出高阶模，所以单层厚度落在 20~60 nm。最后扫间距：厚 30 nm、宽 3 μm，从 0.5 扫到 3 μm。间距越大，模面积和本征损耗越大、有效折射率越小；过了 2.5 μm 光场就从束缚态滑向泄露态，到 3 μm 基本箍不住，间距取 1~1.5 μm 合适。

氧化钽间距与（a）基模有效折射率、（b）基模有效模式面积及（c）本征损耗的关系

这波导是要当窄线宽激光器的外腔选模器用的，跟增益波导的模式匹不匹配，直接决定耦合和反馈效率。综合下来最后定 Ta₂O₅ 厚 30 nm、宽 3 μm、间距 1 μm：有效模式面积 18.67 μm²，基模有效折射率 1.4664，模斑大约 6 μm × 4 μm，本征损耗 1.23×10⁻³ dB/cm。

结果与讨论

（a）波导器件实物图（b）波导端面SEM图

实验拿600 μm厚的硅片做衬底，电子束沉积一层层长出9μm SiO₂、30 nm Ta₂O₅、1 μm SiO₂、30 nm Ta₂O₅，等离子刻蚀出 3 μm 宽的波导，再补一层 8 μm SiO₂ 当上包层，最后切开、抛光端面。

损耗用截断法量：拿1550 nm的DFB激光器当光源，在3个电流下分别测4种长度波导的输入输出功率，每组重复三次取平均；插入损耗按 IL = −10·lg(Pout/Pint) 算，传输损耗系数再按 α = (IL₁ − IL₂)/(L₁ − L₂) 求出来。最小传输损耗系数做到 9×10⁻² dB/cm，算上耦合偏差和环境光干扰，实际只会更低。

多层介质膜波导的（a）近场光斑图、（b）x 轴近场分布、（c）y 轴近场分布

多层介质膜波导的（a）远场光斑图、（b）x 轴远场分布、（c）y 轴远场分布

近远场按高斯束腰定义来取：光强掉到峰值1/e²的地方，算出来近场光斑5.9μm×4.2μm，x、y两个方向的远场发散角分别是12.97° 和14.59°，跟仿真对得上，那点偏差来自材料折射率和实际膜厚的误差。

这套 Ta₂O₅ 多层膜波导把抗辐照、低损耗、强光场束缚、灵活模场调控、紧凑尺寸和简单工艺全揉在了一起，往后还能继续做成 FP 波导、光栅波导这类选模器件。空间光通信、核能、引力波探测、航空航天这些特种场景，正用得着这种稳当的波导。这类器件要从论文走向量产，前提是对多层薄膜的层构参数和光学参数做稳定、可重复的表征；Flexfilm全流程薄膜测量技术正好补上这道环节，为半导体薄膜材料的高质量发展提供底层支撑。

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪

技术支持：180-1566-6117

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析半导体领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

n 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。

n 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。

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费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器（Flexfilm）全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《基于Ta₂O₅ 的多层介质膜光波导》