CLSM三维形貌测量：SOI波导侧壁粗糙度与光损耗分析
在硅光子学里，光路压缩到微米甚至纳米尺度后，侧壁粗糙度就成了光子器件绕不开的光学散射损耗来源。高折射率差的SOI波导把光场束缚在硅芯层，侧壁十几纳米的起伏，就在导模与辐射模间打开相位匹配窗口，把能量耦合出去。
普通SOI条形波导平均光学传播损耗约0.24 dB/mm，截面再小能到1.3 dB/mm。如何测量硅波导粗糙度、进而把SOI波导侧壁的三维分布测清楚，就成了硅光子学低损耗设计的直接前提。光子湾3D共聚焦显微镜系统采用针孔共聚焦光学结构，配合高稳定性机械设计，能在非接触条件下完成亚微米级三维形貌重建，同时输出粗糙度、轮廓、结构等多参数量化数据，匹配SOI波导侧壁这种接近竖直、需要同时获取水平与垂直方向信息的测量场景，让后续模型输入和工艺反馈不再停留在单一平均高度上。
绝缘体上硅 (SOI) 波导的侧壁粗糙度 (SWR)： ( a ) 具有 SWR 的三维 ( 3-D ) 等效矩形波导示意图； ( b ) ICP 刻蚀波导侧壁； ( c ) x 和 z 坐标处的 SWR 分布
刻蚀留下的随机起伏产生一组空间频率分量，当这些分量与导模、辐射模的波矢差满足相位匹配条件时，能量就从导模泄漏出去。高折射率差放大了模式场与侧壁的重叠积分，所以同样的侧壁粗糙度，在SOI波导里造成的散射损耗明显高于普通二氧化硅波导，这是硅光子学的共识。
光学散射损耗系数并不只由侧壁粗糙度的均方根值决定，相关长度和波导宽度会一起进入散射积分。相关长度过短，高频分量占主导，散射角变大；接近理论上限后，再加长的收益迅速下降。宽度改变模式场分布，重叠因子也随之改变。只看平均高度一个数字，常解释不了实测损耗波动，三维分布必须完整提取出来。
CLSM（共聚焦激光扫描显微镜）测量和表面粗糙度定义：（a）光学成像系统示意图，（b）CLSM 测量物体的结果图像，以及（c）所制造的表面粗糙度定义
波导测量中，接触式探针和普通明场光学在竖直侧壁上容易失效。共聚焦激光扫描显微镜把激光聚焦成衍射受限的光斑，用共轭针孔滤掉离焦光，再逐点扫描重建3D形貌，是用于光学波导的共聚焦显微镜里最直接的实现，也让表面粗糙度测量推进到微/纳米测量的三维尺度。
SOI 波导 SWR 的 CLSM 测量和数据处理：（a）是 CLSM 测量的重建图像，（b）是五个测量点的各向同性粗糙度分布
实际波导测量通常用405 nm激光，扫描步长设在10 nm量级，沿侧壁高度做表面粗糙度测量，采集多条线扫描，再把峰谷值换算成均方根粗糙度。一组宽4.0 μm、高0.5 μm的SOI肋波导给出了参考：六条扫描线的粗糙度落在16–23 nm，平均约20.33 nm。这种SOI波导表面测量得到的3D形貌显示，水平和垂直方向的统计分布并不一致，说明ICP刻蚀在两个方向留下的相关长度不同。
测量精度目前受光斑尺寸限制，小于10 nm的细节需进一步压缩激光焦斑、优化重建算法，但3D形貌数据已足以支撑模型输入。对波导测量而言，非接触、可重复、能同时给出高度分布和相关长度信息，是这种表面粗糙度测量、微/纳米测量方法比传统台阶仪更实在的优势。
SOI 波导的光损耗系数与 SWR 的关系模拟，针对两种 SWR 结构：（a）2D SWR，（b）3D-SWR
把波导测量与微/纳米测量得到的3D形貌代入改进后的散射模型：早期的Payne-Lacey模型把波导简化为二维结构，忽略了垂直方向分布和偏振差异；加入三维粗糙度分量和偏振后，预测和实验的吻合度明显提高。
SOI 波导的光损耗与相关长度和波导宽度（除了波导 TE 模式的 SWR 本身之外）的依赖关系的模拟
仿真与实验的结果之一：在相同平均粗糙度下，相关长度和SOI波导宽度共同决定光学散射损耗曲线。相关长度存在理论上限，约在130 nm附近，超过这个范围，继续拉长对降低光学传播损耗的贡献迅速变小。三维模型下TE模式损耗通常高于TM模式，与已发表实验数据一致，也是硅光子学建模的规律。
同一批样品的光学传播损耗约3.1 dB/cm，与用20 nm量级粗糙度代入三维模型算出的3.0–3.5 dB/cm区间吻合。这个结果优于的3.6 dB/cm，但离1.4 dB/cm仍有差距，刻蚀均匀性和界面处理还是主要瓶颈。需说明，该模型适用于高折射率差直波导，弯曲波导或低折射率差结构需重新标定相关长度范围，这是硅光子学工程的边界。
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:《Investigation for Sidewall Roughness Caused Optical Scattering Loss of Silicon-on-Insulator Waveguides with Confocal Laser Scanning Microscopy 》
