日本应用物理学期刊（Japanese Journal of Applied Physics）2025年发表的光频域反射技术（OFDR）在硅光子学基础组件分析中的应用研究

一、研究团队与发表信息
本研究由日本横滨国立大学电气与计算机工程系的Shota Nawa、Mikiya Kamata和Toshihiko Baba合作完成，论文《Optical frequency domain reflectometry analysis of various basic components in Si photonics》于2025年6月发表于《Japanese Journal of Applied Physics》（JJAP），卷64，文章编号066501。研究通过光频域反射技术（OFDR）对硅光子集成电路（PICs）中的基础组件进行了高精度、高效率的光学特性分析。

二、学术背景与研究目标
硅光子集成电路在数据通信、计算和传感领域的应用日益广泛，但光学损耗问题仍是其性能提升的主要瓶颈。传统方法通过比较不同长度波导的透射测量来评估损耗，但存在操作繁琐、结果波动大等缺点。OFDR技术通过频率扫描和反射光分析，可直接获取组件内部反射的空间分布，具有高空间分辨率（可达微米级）和高通量优势。本研究旨在开发一种基于OFDR的标准化分析方法，用于快速评估硅光子学中波导、弯曲、交叉、光子晶体波导（PCW）和耦合器等组件的群折射率（group refractive index, *n_g*）和传播损耗（propagation loss），并与传统方法对比验证其准确性。

三、研究流程与方法
1. 样品制备与测量系统
- 样品设计：所有组件基于220 nm（实际约210 nm）硅绝缘体（SOI）工艺制造，工作波长1550 nm，包括单模窄波导（450 nm宽）、宽波导（3 μm宽）、180°弯曲（半径5 μm）、交叉结构（椭圆重叠设计）、PCW（慢光结构）和MMI耦合器。
- OFDR系统：采用Santec TSL-570波长扫描激光器和OFDR-100设备，波长扫描范围35 nm（1530–1565 nm），空间分辨率理论值7.9 μm（n_g=4.32时），通过偏振保持光纤（PMF）和透镜模块耦合至芯片。

1. 关键实验步骤

   • 群折射率评估：通过OFDR测量的光学路径长度（*n_g*·*l*）与物理长度比值计算*ng*，并校正输入/输出端光斑尺寸转换器（SSC）的影响。
     
   • 传播损耗分析：
     
     • 数据预处理：对反射强度分布应用分段中值滤波（segmented median filter，m=11）以抑制衰落噪声（fading noise）干扰。
       
     • 损耗拟合：通过最小二乘法拟合衰减斜率，结合统计误差分析（标准误差*SE_α*）评估可靠性。
       
   • 空间分辨率验证：通过傅里叶变换反射强度分布，验证分辨率公式δl=λ_c²/(2*n_g*·Δλ)的准确性。
     

2. 对比实验：与传统透射法（需多样品比对）和干涉法（参数复杂）的结果进行交叉验证。

四、主要研究结果
1. 波导特性
- 群折射率：窄波导ng=4.32，与Lumerical FDE仿真结果一致；宽波导ng=3.70。
- 传播损耗：窄波导1.59 dB/cm（OFDR） vs. 1.7 dB/cm（传统方法）；宽波导0.31 dB/cm（OFDR） vs. 0.25 dB/cm（传统方法），差异源于传统方法数据量不足。
- 误差分析：通过Q-Q图验证中值点正态分布，95%置信区间下*SE_α*±0.07 dB/cm（l_ev=5 cm），优于传统方法（需σ<0.3 dB时）。

1. 其他组件

   • 弯曲波导：单弯损耗0.02 dB（两种方法一致），误差±0.01 dB。
     
   • 交叉结构：单交叉损耗0.24±0.05 dB（OFDR） vs. 0.20 dB（传统方法）。
     
   • PCW：ng=23.2（慢光效应显著），损耗33±12 dB/cm，与传统方法（43 dB/cm）偏差因波长扫描范围限制。
     
   • MMI耦合器：过量损耗（excess loss）评估精度受限于短波导长度（1.16 cm），误差±0.3 dB，难以检测<0.1 dB的损耗。
     

2. 方法学创新

   • 中值滤波算法：有效抑制衰落噪声，提升数据可靠性。
     
   • 误差公式推导：提出*SE_α*与扫描范围（Δλ）、评估长度（*l_ev*）的定量关系（公式7），为OFDR应用提供普适性指导。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 建立了OFDR在硅光子学组件分析中的标准化流程，证实其在高通量、高精度评估中的优势。
- 揭示了组件非均匀性（如PCW反射增强效应）和波长依赖性对结果的影响，为工艺优化提供依据。

1. 应用价值：
   
   • 可快速筛查晶圆级器件性能，加速PICs的研发与生产。
     
   • 适用于其他材料体系（如氮化硅、铌酸锂）的光子器件表征。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：首次系统地将OFDR应用于硅光子学基础组件的多参数分析，并提出统计误差模型。
2. 技术突破：实现微米级空间分辨率下长距离（>18 cm）波导的损耗评估，克服传统方法对齐波动问题。
3. 跨组件验证：涵盖波导、弯曲、交叉、PCW和耦合器，证明OFDR的广泛适用性。

七、其他发现
- 波长依赖性：短波长侧损耗更高（λ<1550 nm），建议优化扫描范围。
- 位置非均匀性：部分波导样本损耗波动达0.19 dB/cm，需在评估前检测均匀性区域。

本研究为光子集成电路的高效测试提供了新范式，相关方法已被拓展至光纤传感和激光雷达（LiDAR）芯片的研发中。