在現(xiàn)代光通信與光子集成領(lǐng)域，硅基光波導(dǎo)因其優(yōu)異的性能已成為核心元件。然而，由側(cè)壁粗糙度引起的光傳輸損耗，嚴重限制了其應(yīng)用性能的進一步提升。因此，對光波導(dǎo)表面粗糙度的精確測量與分析，成為優(yōu)化器件設(shè)計、提升性能的關(guān)鍵所在。下文，光子灣科技將詳解共聚焦顯微鏡（CLSM）在測量硅基波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度的應(yīng)用，并分析其粗糙度與光傳輸損耗之間的關(guān)聯(lián)。

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共聚焦顯微鏡的測量原理

共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的光學(xué)成像原理

共聚焦顯微鏡的核心優(yōu)勢在于非接觸式成像與三維精準(zhǔn)表征。其工作原理為：光源發(fā)出的光束經(jīng)物鏡聚焦于被測樣品表面，反射光需穿過探測針孔才能被檢測器接收，僅共聚焦平面的信號有效，從而獲得高分辨率的三維形貌圖像。該技術(shù)可實現(xiàn)完整晶片的無損檢測，避免了機械探針法對樣品的損傷，同時克服了掃描電子顯微鏡（SEM）僅能測量輪廓幅度的局限。

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硅基光波導(dǎo)的粗糙度定義

波導(dǎo)加工表面粗糙度定義

在粗糙度定義方面，研究采用峰- 谷高度（P-V）描述單次掃描的粗糙度特征，即單次掃描長度內(nèi)表面起伏高度的最大差值。在此基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計多個峰- 谷周期的測量結(jié)果，獲得均方根（RMS）粗糙度，反映表面粗糙度的整體平均水平。為實現(xiàn)全面表征，二維粗糙度通過在同一截面內(nèi)多次線掃描的結(jié)果匯總計算得出，三維粗糙度則進一步通過選取多個橫截面的測量數(shù)據(jù)綜合分析獲得，確保了粗糙度表征的全面性與準(zhǔn)確性。

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CLSM在硅基光波導(dǎo)粗糙度測量中的應(yīng)用

研究選用共聚焦顯微鏡，針對SOI（絕緣體上硅）和SOS（氧化硅基）兩種硅基光波導(dǎo)開展系統(tǒng)性測量，測量過程嚴格控制環(huán)境干擾與掃描精度。

1.SOI 光波導(dǎo)的粗糙度測量

SOI光波導(dǎo)CLSM測量圖：(a)和(b)分別是SOI波導(dǎo)SWR較小和較大的波導(dǎo)測試結(jié)果

采用電感耦合等離子體（ICP）刻蝕制備的脊型結(jié)構(gòu)，掃描方式為沿垂直光波導(dǎo)方向以100nm間隔線掃描。在工藝控制良好的樣品中，測得SOI 光波導(dǎo)水平與垂直方向粗糙度均為20nm左右，呈現(xiàn)各向同性分布，多次測量平均值為20.33nm；而工藝不均勻的樣品，側(cè)壁粗糙度可達400nm，顯示出加工工藝對粗糙度的顯著影響。

2.SOS 光波導(dǎo)的粗糙度測量

SOS光波導(dǎo)CLSM測量圖：(a)和(b)分別是SWR水平方向分布和垂直方向分布圖

測量結(jié)果顯示，SOS 光波導(dǎo)的側(cè)壁粗糙度呈現(xiàn)輕微各向異性，水平方向平均粗糙度為29nm，垂直方向為36nm，整體均勻性優(yōu)于部分SOI光波導(dǎo)樣品。為提升測量精度，實驗通過優(yōu)化激光半高寬參數(shù)，將測量精度控制在10nm以內(nèi)，滿足了亞納米級粗糙度表征的需求。

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粗糙度測量與光損耗的關(guān)聯(lián)驗證

將共聚焦顯微鏡測得的粗糙度數(shù)據(jù)代入改進的Payne-Lacey（PL）理論模型，結(jié)合 FD-BPM 模擬，揭示二者強相關(guān)性：SOI 波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度從20nm 增至 400nm時，光傳輸損耗（OPL）從0.8dB/cm 飆升至 5dB/cm以上，印證粗糙度是光損耗主導(dǎo)因素。

耦合實驗中，選取粗糙度22nm 和 50nm 的 SOI 樣品，經(jīng) F-P 腔測試，TE 模式平均光損耗3.1dB/cm、TM 模式 4.3dB/cm，與模擬結(jié)果高度吻合，證明共聚焦顯微鏡測量為理論模型提供可靠支撐。此外，還發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)寬度、硅芯折射率與粗糙度的協(xié)同效應(yīng)，為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供關(guān)鍵依據(jù)。

綜上，共聚焦顯微鏡憑借無損檢測、三維高精度表征的優(yōu)勢，成為硅基光波導(dǎo)表面粗糙度測量的關(guān)鍵技術(shù)。其測得的精確粗糙度數(shù)據(jù)，不僅驗證了改進PL 理論模型的有效性，更明確了表面粗糙度與光損耗的量化關(guān)系。研究表明，通過共聚焦顯微鏡實現(xiàn)對光波導(dǎo)粗糙度的精準(zhǔn)管控，可顯著降低光損耗，為高性能硅基光波導(dǎo)器件的設(shè)計與制備提供重要支撐。

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光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為精密測量提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動多領(lǐng)域技術(shù)升級的重要光學(xué)測量工具。