光通信InGaAs系统里，单光子探测器负责捕捉极弱光信号。芯片光敏区往往只有十几微米，多数光子落在无效区，光能利用率偏低。方形孔径微透镜阵列把光线重新汇聚到光敏面，材料选磷化镓或硅以匹配1.064 μm波长；占空比（有效孔径占单元面积的比例）取81%和90%两档。3D共聚焦显微镜先看清整片阵列的排布。

光通信InGaAs单光子探测器工作于0.9–1.7 μm，光敏面积只占像元一小部分，光能利用率低是行业老问题。微透镜阵列把光敏区外的光线重新聚焦，抬高填充因子。圆形孔径光损偏大，方形加工更难点；光刻胶热熔法工艺简单，微透镜独立制作后再用光学胶与芯片单片耦合。光子湾3D共聚焦显微镜采用共聚焦三维成像方式，并结合Z向扫描与三维重建，可针对器件表面获取可分析的3D数据。

结构设计与仿真校核

结构参数设计流程与公式

微透镜结构参数设计流程

微透镜结构

设计先定焦平面参数，再定孔径、冠高和曲率。两款光敏区为直径10 μm圆斑和25 μm方斑，间隔50或100 μm。

曲率半径R、焦距f、冠高S与F数关系明确；占空比是阵列聚光效率的关键参数，本案取81.00%和90.25%两档，厚200–300 μm兼顾强度与探测性能。

光线追迹仿真与能量验证

两种微透镜阵列曲率与厚度、艾里斑半径的关系曲线

仿真在三档视场下给出两材料面形的均方根（RMS）表面粗糙度：磷化镓约0.32–0.35 μm、硅约0.17–0.20 μm。RMS越小，表面杂散散射越低、耦合效率越高。衍射极限理论还给出最小聚焦光斑（艾里斑）4.951 μm，以及第一暗环内能量集中度约83.8%；实测分别达83.71%和97.21%，说明阵列已接近衍射极限。3D共聚焦显微镜测量先提供可比对的三维形貌检测基准。

形貌检测与曲率偏差分析

台阶仪与共聚焦联合测试

台阶仪提供表面轮廓基准，3D共聚焦显微镜一次采得冠高、单元直径、周期与3D表面形貌；非接触式测量不伤光刻胶球冠。

实测数据与偏差结果

两种微透镜的 3D 成像图

共聚焦显微镜测量得到两组阵列的冠高、孔径、曲率与厚度，数值均与设计值吻合；微透镜形貌检测与微透镜3D测量在此交叉验证。

把实测参数代回计算，磷化镓与硅的曲率偏差仅1.38%和3.44%，焦距偏差也控制在6%以内。曲率测量、冠高测量与孔径测量把这些偏差量化，验证了共聚焦显微镜测量所得3D表面形貌的可信度。

这套"设计—加工—三维形貌检测—偏差计算—光学验证"闭环，让研究者判断结构误差是否影响性能，也正是共聚焦显微镜测量给出的3D表面形貌与三维形貌检测区别于普通显微观察的价值。

工艺因素对球冠的影响

两种微透镜形貌

匀胶转速与加速度、曝光功率和时间、显影、热回流与刻蚀都会改变光刻胶球冠。微纳结构检测与共聚焦显微镜测量可追踪这些偏差来源。

参数变为冠高、孔径或曲率漂移后，3D共聚焦显微镜对3D表面形貌做三维轮廓测量，帮工程人员定位偏差，利于微透镜阵列研发。

光通信行业中的共聚焦应用

光纤阵列与微透镜结构检测：光纤阵列端面平整度和微透镜球冠一致性决定耦合损耗。3D共聚焦显微镜同时给高度分布和3D表面形貌。光学器件检测常用这套方法。

光模块及光学器件表面检测：模块内透镜、反射镜或滤光片，划痕或台阶超标都抬高插入损耗；快速三维轮廓测量可在封装前筛出问题。

硅光波导和PIC微结构检测：波导侧壁表面粗糙度与散射损耗强相关。共聚焦显微镜测量能和仿真交叉验证，思路与微透镜形貌检测、三维形貌检测一致。

CPO与先进封装中的三维计量：光引擎与电芯片合封后互连更紧凑，对3D表面形貌精度要求更高，具体看工艺节点与封装形式。

光通信InGaAs单光子探测器光能利用率低，可用方形孔径微透镜阵列改善。设计和仿真给出参数，共聚焦显微镜测量把形貌和曲率偏差落到数字：曲率偏差仅1.38%–3.44%。3D表面形貌、三维形貌检测与微纳结构检测为此提供闭环依据。

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，符合ISO25178标准测量，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。

技术支持：199-6293-0018

l 超宽视野范围，高精细彩色图像观察

l 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术

l 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

l 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。

原文参考：《用于 InGaAs 单光子探测器的微透镜阵列及表征》