GaN弯波导损耗优化工程复盘 原创

关键词：RSoft；BeamPROP；GaN波导；插入损耗；可见光通信

一、文章简要介绍

可见光通信（VLC）要在6G里挑大梁，GaN光子集成芯片是关键载体。可芯片上的光要走弯道——弯波导的插入损耗一直是绕不开的坎。南京邮电大学的团队在Nanomaterials上发了一篇系统研究（2025，DOI: 10.3390/nano15030151），用RSoft BeamPROP对GaN弯波导做了全面仿真优化：从弯角扫描到工艺对比，从侧壁角到金属反射层，把90度弯的插入损耗从1.80dB一路压到0.57dB，为可见光通信芯片提供了实打实的设计依据。

图1 GaN基外延层在硅衬底上的截面结构示意（总厚度4.375微米，含AlN/AlGaN/GaN/MQW等多层）

图1是GaN基外延层在硅衬底上的截面结构：总厚度4.375微米，从下到上依次是300纳米AlN、700纳米AlGaN、600纳米GaN、2600纳米n型GaN、60纳米InGaN/GaN多量子阱、35纳米p型AlGaN、80纳米p型GaN，衬底是200微米硅。

二、仿真步骤

步骤一：建立RSoft仿真模型。用RSoft CAD 2021.09的BeamPROP模块，基于光束传播法（BPM）分析GaN弯波导。核心技巧是共形变换：把弯曲波导映射成等效直波导，折射率修正为n乘exp(x/R)，R是弯曲半径。这样既准确刻画弯道几何效应，又保持计算效率。仿真参数：横向网格间距20分之一波长、纵向步长4分之一波长，计算窗口取波导宽度5倍，边界用完美匹配层。

步骤二：模型验证。模型预测90度弯插入损耗1.80dB，与团队此前实验实测的1.85dB高度吻合；直波导预测也与文献报道的406纳米波长2.6dB每毫米一致。基准模型参数：波导宽2微米、高1微米、弯曲半径10微米、90度弯角、slab层厚度3.375微米、波长450纳米。

图2 背面减薄工艺流程图：光刻→ICP刻蚀波导→背向STS刻蚀去除硅衬底→ICP减薄slab层

图2是背面减薄工艺流程图：先光刻定义波导图案，用III-V族ICP刻蚀把图案转移到GaN层，再从背面用STS硅通孔刻蚀去除硅衬底，最后用ICP从背面减薄并去除slab层。相比正面刻蚀，背面减薄一步到位解决了两个漏光路径。

步骤三：系统参数扫描优化。在BeamPROP里做参数扫描：弯角从5度到90度、slab层厚度从3.375微米减到0、侧壁角从0度到45度、波导宽度从0.2微米到2.0微米、金属膜选Ag/Al/Au/Cr/Ni/Ti六种，每个参数单独扫描寻找最优值，保持其他参数不变，优化目标是最小化插入损耗。

图3 弯波导截面的几何结构与折射率分布（RSoft模型输入）

图3是RSoft模型的输入——弯波导截面的几何结构和折射率分布：波导芯2微米宽1微米高，下方是3.375微米的slab层，折射率按RSoft材料库和在线折射率数据库设置。

三、关键结果与发现

第一个发现：弯角越大损耗越狠。无优化结构从5度0.24dB缓慢升到60度1.27dB，超过60度后急剧恶化，90度时达到1.80dB——模式失配和辐射损耗在弯道处被放大。这说明90度弯是光子集成芯片必须攻克的关键点。

图4 不同弯曲角度下GaN弯波导的光场传输分布（插入损耗随弯角增大）

图4展示了不同弯角下的光场传输分布：弯角增大时光场逐渐向外侧偏移、辐射损耗加剧，90度弯输出端相对光功率只剩0.661（对应1.8dB损耗）。

第二个发现：背面减薄工艺完胜正面刻蚀。正面刻蚀只去除slab层，90度弯损耗从1.80dB降到1.20dB；背面减薄同时去掉硅衬底和slab层，直接降到0.71dB，降幅60.6%！机理是：厚slab层导致高阶模式泄漏进slab区，再被硅衬底吸收——背面减薄把这条漏光路径彻底切断。当slab层厚度超过1.875微米时，背面减薄比正面刻蚀最多好0.85dB。

图5 90度弯波导相对光输出分布对比：(a)未优化，(b)正面刻蚀去除slab层，(c)背面减薄去除硅衬底与slab层

图5对比了90度弯波导三种结构的相对光输出分布：a是未优化结构，输出端相对光功率只剩0.661（1.8dB损耗）；b是正面刻蚀后提升到0.751（1.2dB）；c是背面减薄后达到0.849（0.71dB）——背面减薄不仅损耗最低，波导芯内的模式分布也最均匀。

第三个发现：侧壁角必须控制在15度以内。ICP刻蚀难免产生侧壁倾斜，从0度（垂直）到15度，损耗从0.71dB升到0.98dB还能容忍；但35到45度区间恶化明显，45度时达到1.39dB——倾斜侧壁增加模式与边界的相互作用长度，还改变有效截面几何。

第四个发现：银反射层锦上添花。在背面减薄的基础上，再沉积100纳米金属膜：银把损耗从0.71dB降到0.57dB（降19.7%）、铝0.59dB；但金、铬、镍、钛反而恶化到1.12到1.27dB。原因在可见光区：银反射率超95%、铝超90%，而金在500纳米以下有d带到s带的带间跃迁强吸收，过渡金属半满d带吸收更严重。

图6 不同金属反射膜下插入损耗对比：银0.57dB最优，金/铬/镍/钛反而恶化

图6是六种金属膜下的插入损耗对比：银0.57dB最优、铝0.59dB次之，金1.27dB、铬1.12dB、镍1.21dB、钛1.12dB——选择反射膜必须看可见光区的光学常数，不能只看导电性。

第五个发现：光谱特性决定适用场景。优化结构的插入损耗在蓝绿区（420到500纳米）稳定低于0.9dB，正好覆盖可见光通信主力波段；0.40微米处7.26dB到0.42微米处0.59dB的陡降对应GaN带边吸收；但波长超过0.50微米后模式扩散、束缚变弱，0.80微米处回升到2.43dB。

图7 优化后弯波导插入损耗随波长变化：蓝绿区420-500纳米低于0.9dB

图7是插入损耗随波长变化的全谱特性：紫外区超23dB（GaN带边吸收）、蓝绿区最优、长波方向逐渐劣化——设计时必须把工作波段框定在蓝绿区。

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①RSoft/BeamPROP光波导仿真（BPM光束传播法、共形变换弯道建模、模式分析）；②光子集成芯片设计（弯波导、分束器、耦合器、微环谐振器）；③半导体光器件仿真（GaN/Si/SiN平台，可见光与红外波段）；④工艺参数优化仿真（侧壁角、slab厚度、金属反射层、波导几何）；⑤FDTD与BPM联合仿真与实验对标。如果你也在做光波导或光子集成芯片，这篇论文的RSoft优化流程非常值得拆一遍。

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