導讀
隨著集成光電子芯片向更高性能和小型化發展，其核心結構的特征尺寸已縮小至深亞波長尺度（<100納米）。這類結構在光子集成電路、超構表面光場調控器件、高速通信和光子計算等領域展現出巨大潛力，但如何實現高精度、無損、高通量的光學檢測成為制約其發展的關鍵難題。電子顯微鏡和原子力顯微鏡雖分辨率高，但檢測速度慢且可能損傷樣品；X射線層析成像依賴大型同步輻射裝置，成本高昂且難以普及；而傳統光學顯微鏡受限于衍射極限（約光波長的一半），無法分辨百納米以下結構，導致芯片制造中設計優化與工藝驗證的反饋周期漫長，制約產業快速升級。
近日，北京郵電大學集成電路學院張天悅副研究員與暨南大學物理與光電工程學院李向平教授的聯合團隊，提出了一種基于光熱非線性散射顯微技術（Photothermal Nonlinear Scattering Microscopy）的創新解決方案，能夠實現對深亞波長尺度的納米光電芯片進行直接光學成像檢測，分辨率突破光學衍射極限，達到了80納米以下（約為光波長的七分之一）。
該成果以題為“Nanophotonic inspection of deep-subwavelength integrated optoelectronic chips”發表在Science Advances。論文共同第一作者為暨南大學物理與光電工程學院博士后車穎和北郵集成電路學院張天悅副研究員，共同通訊作者為張天悅副研究員和暨南大學李向平教授。
設計思路和工作原理
光熱效應是一種常見的光與物質相互作用形式，是指材料吸收光能后轉化為熱能導致局部溫度升高。由溫度升高引起的材料折射率的變化，即熱光效應，會反過來影響納米結構的光學性質。因此當激光聚焦于介質納米結構時，其光熱-熱光的協同作用會引發結構共振光譜的紅移，依據共振峰相對于激發波長的位置，散射光強出現隨激光功率增大而增加（超線性，superlinear）或減少（亞線性，sublinear）的非線性響應。這種非線性響應會引起等效的非線性點擴散函數（nonlinear point spread functions, PSFs）發生改變，從而通過共聚焦掃描成像實現超越衍射極限的高分辨率光學成像（圖1所示）。
圖1：光熱非線性散射顯微技術原理圖
泄漏共振耦合增強光熱效應
研究團隊以矩形硅納米線為基礎，利用時域有限差分方法對其光學吸收效率進行了模擬分析。結果表明，即使是深亞波長尺寸（如50 nm寬）納米線仍支持光學共振，且這些共振模式主要來源于電/磁多極子泄漏模式共振。而緊密排列的納米線陣列，因結構之間固有的光學耦合效應，顯著提升光吸收效率和光熱效應，為光熱非線性信號調制提供了基礎。
圖2：泄漏模共振耦合增強光熱效率
非線性PSF突破衍射極限
實驗中，研究團隊以標準硅光子集成電路Silicon-on-Insulator（SOI）平臺為基礎，制備了高度為220 nm、不同線寬間距及周期的矩形硅納米線陣列。利用532 nm（位于硅的吸收波段）連續波激光激發樣品，并通過共聚焦顯微鏡系統檢測反射光強度。實驗結果顯示，在特定的激發強度下，納米線陣列的反射強度表現出明顯的超線性和亞線性非線性行為，與模擬結果一致。光熱效應導致反射信號隨激光強度非線性變化，使成像系統的PSF被有效壓縮。通過調控激光偏振（TE/TM模式），可切換超線性（PSF變窄）或亞線性（PSF中心凹陷）響應。在400 nm周期陣列中，傳統共聚焦成像無法分辨相鄰納米線，而光熱非線性成像清晰呈現單根線寬200 nm的獨立結構。進一步將周期縮小至160 nm（線寬80 nm，間距80 nm），仍能清晰解析出λ/7的納米線結構。
圖3：光熱非線性實驗測量結果
多場景成像檢測能力驗證
該技術還被應用于多種集成光電子結構的成像，實驗上成功解析了硅光柵耦合器、超透鏡及45納米工藝CPU芯片內部結構（線寬65納米）的亞衍射特征，并且展示了對亞波長缺陷的檢測能力（如納米線橋接的缺陷識別定位）。
圖4：光熱非線性散射顯微技術應用于多種光子結構體系超分辨成像實驗結果
總結與展望
該技術的核心創新在于利用了光電芯片中密集集成百納米特征尺寸微結構的共振耦合特性，將單個納米結構的微弱非線性效應放大，并通過非線性點擴散函數實現分辨率躍升。相較于熒光超分辨（如STED或單分子定位）及其他超分辨成像技術，該方法無需熒光標記或復雜光路改造，兼容商用激光共聚焦顯微鏡，具有低成本、高穩定性和無損檢測的優勢。這項技術不僅為微納光學領域的高分辨成像技術提供了新的理論和實驗依據，還為集成光電子領域的制造檢測提供了一種原位無損、高通量的解決方案，有望在半導體制造、納米光子學、生物醫學成像等多個領域發揮重要作用，推動相關技術的進一步發展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adr8427
