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铌酸锂薄膜（TFLN）技术是光电子技术领域的重要创新之一。通过将各种无源与有源光学器件集成到一个平台上，这项技术能够显著提高光学系统的性能与稳定性。TFLN具有高非线性以及电光特性，广泛应用于数据通信、传感、成像以及光量子技术等领域。

TFLN波导的一大技术难点是降低光学损耗，其中侧壁粗糙度是主要原因之一。为了设计低损耗的光电子集成芯片，深入研究损耗机制并建立有效的估算模型具有重要意义[1]。

图1：铌酸锂波导截面示意图，显示了基底、核心与包层结构以及关键几何参数，如宽度（w）、厚度（t）和侧壁角度（θ）。

分析中使用了四种不同的波导样品，核心层厚度、刻蚀深度与包层参数各不相同。

波导的光学损耗主要通过衰减常数（α）表征。在损耗性波导中，光功率沿传播方向呈指数衰减。损耗以分贝每厘米（dB/cm）为单位，衰减常数可通过特定公式计算。

引起损耗的主要因素包括侧壁粗糙度导致的散射以及核心层或包层中的吸收。图2展示了使用Fabry-Pérot方法测量损耗的实验装置。

图2：Fabry-Pérot测量装置示意图，包括连续波激光器、偏振控制器以及光纤耦合器等组件。

研究采用了一种基于扰动理论的方法来建模侧壁粗糙度引起的损耗。模型通过在波导侧壁附近引入具有虚数介电常数的小区域来模拟粗糙度的影响。图5展示了这种粗糙度建模方法。

图3：侧壁粗糙度的建模，假设在波导侧壁周围存在具有虚数介电常数的薄层。

研究使用有限元法计算了理想波导中的电磁场分布。图4展示了不同波导结构的模场分布，显示了电场强度的分布情况。

图4：铌酸锂薄膜波导的模场分布图，显示了电场强度平方（|E|²）。(a)到(f)表示不同波导结构与偏振模式。

数值模拟探讨了波导几何参数对光学损耗的影响。计算了波导顶部宽度（w）变化时的有效折射率与损耗系数。图5（a）与（b）展示了肋波导的模拟结果，而图5（c）与（d）展示了条形波导的结果。

图5（a）与（b）：肋波导的有效折射率与损耗随顶部宽度变化的关系。（c）与（d）：条形波导的有效折射率与损耗随顶部宽度变化的关系。

结果显示，随着波导宽度增加，损耗减小。这是由于模场分布的扩展减少了相对侧壁的电场强度。然而，这种设计可能导致多模行为，限制了波导在某些光电子集成芯片中的应用。

除了标准的TE与TM模式，研究还发现了一些混合模式，这些模式具有混合偏振特性。图7展示了特定波导配置中两个低阶混合模式的矢量场分布。

图6：混合模式的矢量场分布，展示了电场的三个笛卡尔分量（Ex、Ey、Ez）。

分析表明，接近模态有效折射率交叉点的混合模式具有中等损耗水平，这为波导设计带来额外的复杂性。

研究通过实验验证了扰动模型的有效性，实验测量与估算的损耗结果具有较高的一致性。表1（b）列出了实验与估算的损耗结果，表明该模型能够准确捕捉波导几何参数对损耗的影响。

研究表明，侧壁粗糙度是铌酸锂薄膜波导损耗的主要原因之一。在设计低损耗光电子集成芯片时，必须综合考虑波导的几何结构与模态特性。虽然宽波导能够减少损耗，但这可能会导致多模行为，设计时需要在低损耗与单模行为之间取得平衡。

本文研究了侧壁粗糙度对铌酸锂薄膜波导损耗的影响，并提出了基于扰动理论的简单模型，用于估算不同几何结构波导的损耗水平。模型结合了严格的数值模式分析，为设计低损耗光电子集成芯片提供了参考。未来可以通过进一步的实验以及扩展模型来提高预测精度，包括考虑各向异性与偏振效应。