集成光学新赛道上的新“跨越”

集成光学是用光子集成线路实现光信号合成、处理和探测的技术，因此也被称为“光芯片”技术。在过去20年里，集成光学技术已实现从“实验室演示”到“工业级量产”的跨越，并成功应用在高速高容量光通信网络和数据中心。目前，用硅和磷化铟异质集成方式实现的电泵浦半导体激光器芯片已经实现商业化，并广泛应用于光互连数据中心。然而，硅和磷化铟仍存在光传输损耗过高等材料局限。

近日，深圳国际量子研究院研究员刘骏秋团队与杭州芯傲光电有限公司合作，实现了超低损耗氮化硅集成光学技术从“实验室演示”到“工业级大规模量产”的转化。联合团队首次在国内建立超低损耗、大尺寸晶圆、厚氮化硅光芯片工艺，且多项指标和综合性能达到国际最好水平。近日，相关研究在《光子学研究》上发表。

6寸晶圆上实拍的氮化硅集成光路。

 “光赛道”的挑战

集成光学被视为有可能突破摩尔定律的“新赛道”，但其自身仍存在诸多发展局限。其中，实现超低损耗集成光波导是该领域最基本、最核心的挑战之一。

氮化硅材料的引入，为人们提供了一个解决方案。氮化硅不仅具有多项优异的光学特性，而且氮化硅片上集成光波导的加工也能完美兼容当下标准的CMOS硅芯片制造工艺。目前，世界上仅少数几个实验室实现了0.01 dB每厘米甚至更低的光传输损耗。利用超低损耗氮化硅片上光波导来构建高品质因子光学微腔和复杂线性网络，人们实现了芯片集成的光频率梳、窄线宽激光器、光放大器、压缩量子光源及光神经网络等。

尽管国际上主要代工厂都能提供氮化硅光芯片生产和流片服务，但其光损耗离学术界报道的最好指标仍有显著差距。

“事实上，超低损耗氮化硅光芯片在工业产线上仍面临很多挑战。”杭州芯傲光电有限公司总经理兼首席技术官叶志超博士告诉《中国科学报》，“比如高质量氮化硅薄膜沉积厚度超过400 纳米时，极易产生裂纹。如何在大尺寸晶圆工业产线上实现超低损耗的厚氮化硅薄膜，同时保证无裂缝和高良率（超过97%），是当下迫切需要解决的问题。”