在光通信、激光點(diǎn)火起爆及各類(lèi)高精度光控制系統中，微小型光開(kāi)關(guān)作為關(guān)鍵光學(xué)器件，其性能直接影響到整個(gè)系統的可靠性與效率。長(cháng)期以來(lái)，側壁反射鏡的表面粗糙度過(guò)大導致光路傳輸效率低下，一直是行業(yè)面臨的技術(shù)瓶頸。一項結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(kāi)關(guān)的側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(zhù)提升至39.1%，為光開(kāi)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

微小型光開(kāi)關(guān)，尤其是反射式光開(kāi)關(guān)，因其結構緊湊、抗沖擊性能好，在引信安全、光通信交換等場(chǎng)景中廣泛應用。傳統制造工藝，如ICP或CMOS工藝，在刻蝕高深寬比結構時(shí)，容易在硅襯底側壁形成粗糙表面。這種粗糙表面對光線(xiàn)產(chǎn)生嚴重散射，導致光信號在傳輸過(guò)程中損失巨大，整體光路效率低下，嚴重限制了器件在高要求環(huán)境下的應用。

因此，如何在微米甚至納米尺度上，對側壁反射鏡進(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(wèn)題。

創(chuàng )新工藝：ICP與FIB雙工藝結合

為解決上述難題，研究團隊提出并驗證了一套創(chuàng )新的兩步加工法：

1. 初步結構成型——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(kāi)關(guān)的基本結構。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(kāi)關(guān)SEM圖）。

圖1：微小型光開(kāi)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(kāi)關(guān)SEM圖

2. 表面精密拋光——FIB刻蝕
在獲得基礎結構后，關(guān)鍵步驟是利用聚焦離子束（FIB）刻蝕技術(shù)對側壁反射鏡面進(jìn)行“精加工”。如圖3所示，通過(guò)精確控制高能離子束以特定角度轟擊側壁表面，可逐層、均勻地去除表面材料，實(shí)現原子級別的平滑處理。

圖3：FIB加工微小型光開(kāi)關(guān)側壁反射鏡面示意圖

工藝效果驗證：粗糙度與光效率雙提升

為了量化工藝效果，研究團隊采用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）對加工前后的表面形貌進(jìn)行了細致表征，并搭建了專(zhuān)用的光路傳輸效率測試系統（如圖4）進(jìn)行性能驗證。

圖4：光路傳輸效率測試系統示意圖

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)處理的側壁表面凹凸不平（圖5c），而經(jīng)過(guò)FIB處理后的表面則變得異常光滑平整（圖5d）。

圖5：側壁反射鏡FIB刻蝕前后的SEM對比圖

研究進(jìn)一步探索了離子劑量（單位面積照射的離子量）對拋光效果的影響。通過(guò)設置不同離子劑量進(jìn)行矩形區域刻蝕實(shí)驗，AFM測量結果（圖6）表明，隨著(zhù)離子劑量的增加，刻蝕溝槽底部越來(lái)越平滑，整體表面粗糙度持續下降。

圖6：不同離子劑量刻蝕后側壁的AFM形貌圖

圖7的數據曲線(xiàn)直觀(guān)地反映了這一規律：當離子劑量達到最優(yōu)值  時(shí)，側壁反射鏡的表面粗糙度從原始的190 nm銳減至56 nm。

圖7：側壁反射鏡表面粗糙度隨離子劑量的變化曲線(xiàn)

光路傳輸效率躍升

表面粗糙度的降低直接帶來(lái)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(kāi)關(guān)，其效率僅為10.2%。而經(jīng)過(guò)最優(yōu)劑量FIB刻蝕后，效率飆升至39.1%，提升幅度接近300%。這一數據充分證明了該工藝對提升微小型光開(kāi)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(xiàn)

技術(shù)意義與行業(yè)應用前景

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

更高的光路傳輸效率意味著(zhù)：

• 更低的系統功耗：在光通信系統中，減少光損失可直接降低對激光光源功率的要求。

• 更高的信號完整性：在傳感和起爆系統中，更強的信號意味著(zhù)更高的可靠性和安全性。

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

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（注：本文部分內容由AI協(xié)助習作，僅供參考）