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。

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。

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。

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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。