硅基光波导表面粗糙度与光损耗的关联分析

在现代光通信与光子集成领域，硅基光波导因其优异的性能已成为核心元件。然而，由侧壁粗糙度引起的光传输损耗，严重限制了其应用性能的进一步提升。因此，对光波导表面粗糙度的精确测量与分析，成为优化器件设计、提升性能的关键所在。下文，光子湾科技将详解共聚焦显微镜（CLSM）在测量硅基波导侧壁粗糙度的应用，并分析其粗糙度与光传输损耗之间的关联。

 

 

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共聚焦显微镜的测量原理

共聚焦显微镜系统的光学成像原理

共聚焦显微镜的核心优势在于非接触式成像与三维精准表征。其工作原理为：光源发出的光束经物镜聚焦于被测样品表面，反射光需穿过探测针孔才能被检测器接收，仅共聚焦平面的信号有效，从而获得高分辨率的三维形貌图像。该技术可实现完整晶片的无损检测，避免了机械探针法对样品的损伤，同时克服了扫描电子显微镜（SEM）仅能测量轮廓幅度的局限。

 

 

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硅基光波导的粗糙度定义

波导加工表面粗糙度定义

在粗糙度定义方面，研究采用峰- 谷高度（P-V）描述单次扫描的粗糙度特征，即单次扫描长度内表面起伏高度的最大差值。在此基础上，通过统计多个峰- 谷周期的测量结果，获得均方根（RMS）粗糙度，反映表面粗糙度的整体平均水平。为实现全面表征，二维粗糙度通过在同一截面内多次线扫描的结果汇总计算得出，三维粗糙度则进一步通过选取多个横截面的测量数据综合分析获得，确保了粗糙度表征的全面性与准确性。

 

 

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CLSM在硅基光波导粗糙度测量中的应用

研究选用共聚焦显微镜，针对SOI（绝缘体上硅）和 SOS（氧化硅基）两种硅基光波导开展系统性测量，测量过程严格控制环境干扰与扫描精度。

1. SOI 光波导的粗糙度测量

SOI光波导CLSM 测量图：(a)和(b)分别是SOI 波导SWR 较小和较大的波导测试结果

采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀制备的脊型结构，扫描方式为沿垂直光波导方向以100nm 间隔线扫描。在工艺控制良好的样品中，测得SOI 光波导水平与垂直方向粗糙度均为20nm 左右，呈现各向同性分布，多次测量平均值为20.33nm；而工艺不均匀的样品，侧壁粗糙度可达400nm，显示出加工工艺对粗糙度的显著影响。

2. SOS 光波导的粗糙度测量

SOS光波导 CLSM 测量图：(a)和(b)分别是 SWR 水平方向分布和垂直方向分布图

测量结果显示，SOS 光波导的侧壁粗糙度呈现轻微各向异性，水平方向平均粗糙度为29nm，垂直方向为36nm，整体均匀性优于部分SOI 光波导样品。为提升测量精度，实验通过优化激光半高宽参数，将测量精度控制在10nm 以内，满足了亚纳米级粗糙度表征的需求。

 

 

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粗糙度测量与光损耗的关联验证

将共聚焦显微镜测得的粗糙度数据代入改进的Payne-Lacey（PL）理论模型，结合 FD-BPM 模拟，揭示二者强相关性：SOI 波导侧壁粗糙度从20nm 增至 400nm 时，光传输损耗（OPL）从0.8dB/cm 飙升至 5dB/cm 以上，印证粗糙度是光损耗主导因素。

耦合实验中，选取粗糙度22nm 和 50nm 的 SOI 样品，经 F-P 腔测试，TE 模式平均光损耗3.1dB/cm、TM 模式 4.3dB/cm，与模拟结果高度吻合，证明共聚焦显微镜测量为理论模型提供可靠支撑。此外，还发现波导宽度、硅芯折射率与粗糙度的协同效应，为波导结构优化提供关键依据。

综上，共聚焦显微镜凭借无损检测、三维高精度表征的优势，成为硅基光波导表面粗糙度测量的关键技术。其测得的精确粗糙度数据，不仅验证了改进PL 理论模型的有效性，更明确了表面粗糙度与光损耗的量化关系。研究表明，通过共聚焦显微镜实现对光波导粗糙度的精准管控，可显著降低光损耗，为高性能硅基光波导器件的设计与制备提供重要支撑。

 

 

 

 

 

 

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

 

 

超宽视野范围，高精细彩色图像观察

提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力，为精密测量提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动多领域技术升级的重要光学测量工具。