在光通信、激光點(diǎn)火起爆及各類高精度光控制系統(tǒng)中，微小型光開關(guān)作為關(guān)鍵光學(xué)器件，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與效率。長(zhǎng)期以來，側(cè)壁反射鏡的表面粗糙度過大導(dǎo)致光路傳輸效率低下，一直是行業(yè)面臨的技術(shù)瓶頸。一項(xiàng)結(jié)合電感耦合等離子體（ICP）與聚焦離子束（FIB）刻蝕的創(chuàng)新工藝，成功將微小型光開關(guān)的側(cè)壁反射鏡表面粗糙度由190nm大幅降低至56nm，并使光路傳輸效率從10.2%顯著提升至39.1%，為光開關(guān)性能優(yōu)化提供了明確可行的技術(shù)路徑。

行業(yè)背景與技術(shù)挑戰(zhàn)

微小型光開關(guān)，尤其是反射式光開關(guān)，因其結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊性能好，在引信安全、光通信交換等場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)制造工藝，如ICP或CMOS工藝，在刻蝕高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí)，容易在硅襯底側(cè)壁形成粗糙表面。這種粗糙表面對(duì)光線產(chǎn)生嚴(yán)重散射，導(dǎo)致光信號(hào)在傳輸過程中損失巨大，整體光路效率低下，嚴(yán)重限制了器件在高要求環(huán)境下的應(yīng)用。

因此，如何在微米甚至納米尺度上，對(duì)側(cè)壁反射鏡進(jìn)行高精度、低粗糙度的表面加工，成為行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

創(chuàng)新工藝：ICP與FIB雙工藝結(jié)合

為解決上述難題，研究團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一套創(chuàng)新的兩步加工法：

1. 初步結(jié)構(gòu)成型——ICP刻蝕
首先，采用雙面ICP刻蝕工藝在SOI硅片上一體化加工出微小型光開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)。該步驟效率高，適合定義器件的整體三維輪廓，如圖1所示（加工流程圖）及圖2所示（制成的光開關(guān)SEM圖）。

圖1：微小型光開關(guān)的加工流程圖

圖2：采用雙面ICP刻蝕工藝制成的微小型光開關(guān)SEM圖

2. 表面精密拋光——FIB刻蝕
在獲得基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后，關(guān)鍵步驟是利用聚焦離子束（FIB）刻蝕技術(shù)對(duì)側(cè)壁反射鏡面進(jìn)行“精加工”。如圖3所示，通過精確控制高能離子束以特定角度轟擊側(cè)壁表面，可逐層、均勻地去除表面材料，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的平滑處理。

圖3：FIB加工微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡面示意圖

工藝效果驗(yàn)證：粗糙度與光效率雙提升

為了量化工藝效果，研究團(tuán)隊(duì)采用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）對(duì)加工前后的表面形貌進(jìn)行了細(xì)致表征，并搭建了專用的光路傳輸效率測(cè)試系統(tǒng)（如圖4）進(jìn)行性能驗(yàn)證。

圖4：光路傳輸效率測(cè)試系統(tǒng)示意圖

表面粗糙度變化

SEM圖像清晰展示了FIB刻蝕前后的巨大差異。未經(jīng)處理的側(cè)壁表面凹凸不平（圖5c），而經(jīng)過FIB處理后的表面則變得異常光滑平整（圖5d）。

圖5：側(cè)壁反射鏡FIB刻蝕前后的SEM對(duì)比圖

研究進(jìn)一步探索了離子劑量（單位面積照射的離子量）對(duì)拋光效果的影響。通過設(shè)置不同離子劑量進(jìn)行矩形區(qū)域刻蝕實(shí)驗(yàn)，AFM測(cè)量結(jié)果（圖6）表明，隨著離子劑量的增加，刻蝕溝槽底部越來越平滑，整體表面粗糙度持續(xù)下降。

圖6：不同離子劑量刻蝕后側(cè)壁的AFM形貌圖

圖7的數(shù)據(jù)曲線直觀地反映了這一規(guī)律：當(dāng)離子劑量達(dá)到最優(yōu)值  時(shí)，側(cè)壁反射鏡的表面粗糙度從原始的190 nm銳減至56 nm。

圖7：側(cè)壁反射鏡表面粗糙度隨離子劑量的變化曲線

光路傳輸效率躍升

表面粗糙度的降低直接帶來了光學(xué)性能的飛躍。如圖8所示，光路傳輸效率隨離子劑量增加而同步提升。未經(jīng)FIB處理的光開關(guān)，其效率僅為10.2%。而經(jīng)過最優(yōu)劑量FIB刻蝕后，效率飆升至39.1%，提升幅度接近300%。這一數(shù)據(jù)充分證明了該工藝對(duì)提升微小型光開關(guān)整體性能的決定性作用。

圖8：光路傳輸效率隨離子劑量的變化曲線

技術(shù)意義與行業(yè)應(yīng)用前景

本研究成功驗(yàn)證了“ICP宏觀成型 + FIB微觀拋光”雙工藝組合在解決側(cè)壁反射鏡表面質(zhì)量問題上的卓越有效性。它不僅提供了一種可重復(fù)、高精度的加工方法，更重要的是為微小型光開關(guān)的性能指標(biāo)提升找到了關(guān)鍵突破口。

更高的光路傳輸效率意味著：

• 更低的系統(tǒng)功耗：在光通信系統(tǒng)中，減少光損失可直接降低對(duì)激光光源功率的要求。

• 更高的信號(hào)完整性：在傳感和起爆系統(tǒng)中，更強(qiáng)的信號(hào)意味著更高的可靠性和安全性。

• 拓寬應(yīng)用場(chǎng)景：使得微小型光開關(guān)能夠滿足更苛刻環(huán)境（如高振動(dòng)、高沖擊）下的應(yīng)用需求，尤其在航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域價(jià)值巨大。

擇合適的光開關(guān)等光學(xué)器件及光學(xué)設(shè)備是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細(xì)對(duì)比關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

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（注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）