超低损耗氮化硅集成光学技术获“2023中国光学十大进展”提名奖

■ 信息来源 | 中国激光杂志社（本文由“SAGSI硅基新材料”整理后发布，转载请注明出处）

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4月21日晚，中国激光杂志社发布“2023中国光学十大进展”提名奖。“超低损耗氮化硅集成光学技术”、“光学手性连续域束缚态的实现与观测”、“超快激光无油墨彩色打印技术”等20项成果分别荣获“2023中国光学十大进展”提名奖（基础研究类）和“2023中国光学十大进展”提名奖（应用研究类）。其中，获得“2023中国光学十大进展”提名奖（应用研究类）的10项成果中包括“超低损耗氮化硅集成光学技术”。

深圳国际量子研究院刘骏秋团队报道了国际上首次实现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。这也是首次在国内建立起超低损耗、大尺寸晶圆、厚氮化硅的光芯片工艺技术，且多项指标和综合性能达到国际最好水平。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第4期。

研究背景

集成光学（Integrated Photonics）是一项可以利用光子集成线路（Photonic Integrated Circuit，PIC）实现光信号的合成、处理和探测的技术，因此也被称为“光芯片”技术。在过去的二十年里，光芯片技术已经实现从“实验室演示”到“工业级大规模量产”的跨越，并成功应用在高速高容量光通信网络和数据中心。
目前主流的光芯片材料平台包括硅和磷化铟。通过异质集成的方式，这两种材料的组合实现了用于光互连的电泵浦半导体激光器芯片，并已在英特尔实现商业化，每年出货量可达数百万。然而，硅和磷化铟仍具有诸多材料局限性，最突出的一点就是光在这两种材料中的传输损耗很高，一般为dB每厘米量级。此外在高功率下，非线性光吸收进一步加剧了光损耗。实现超低损耗集成光波导是集成光学领域最基本、最核心的目标之一。氮化硅材料的引入为实现这一目标提供了极佳的解决方案。氮化硅具有很多极其优秀的光学特性，比如从紫外到中红外的光透明区间、在通信波长无双光子吸收、合适的克尔非线性、微弱的拉曼和布里渊非线性等。同时，氮化硅光芯片的加工能够完美兼容当下标准的CMOS硅芯片制造工艺，并已经在世界上少数几个实验室实现了低至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的光学微腔和复杂线性网络，人们已经可以实现芯片集成的光频率梳、窄线宽激光器、压缩量子光源，以及光神经网络等。尽管目前国际上主要的代工厂都提供氮化硅光芯片的代工服务，但是其光损耗离目前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的研发仍然面临很多挑战。其中最大的挑战便是，高质量氮化硅薄膜的沉积厚度超过400 nm后极容易产生裂纹。因此，“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，又能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。

研究创新点

杭州芯傲光电有限公司自主研发了一套基于6英寸晶圆的CMOS减法芯片加工工艺（Subtractive Process），通过结合先进的深紫外步进光刻技术，以及氮化硅材料生长、刻蚀、退火、钝化等技术，成功制备出厚度超过810 nm、光损耗低于0.026 dB每厘米的氮化硅光芯片。深圳国际量子研究院团队对这些光芯片的光学性质，如损耗、色散、耦合强度、均匀性等指标进行了系统和全面的分析。结果表明这些氮化硅光芯片的综合性能已到达国际最好水平。更最重要的是，基于环形微腔的实验表征证明此氮化硅工艺具有接近100%的良率。这一指标的达成切实保障了超低损耗氮化硅光芯片技术真正能够实现落地应用。
同时，利用这些芯片，深圳国际量子研究院团队实现了氮化硅芯片集成的孤子光频率梳，其光谱范围覆盖整个光通信的C波段，且重复频率在微波K波段。这种芯片集成光频率梳器件还可以直接用于光微波生成、高容量相干光通信和天文光谱仪校准等应用。图 6寸晶圆上实拍的氮化硅集成光路。圆环为氮化硅环形微谐振腔，圆盘为密集排布的、长度超过1米的长波导“中国光学十大进展”评选活动由中国激光杂志社发起，至今已成功举办18届，旨在促进中国优秀光学研究成果的广泛传播，推动中国光学事业的发展。凭借高学术水平的候选成果，以及严格公正的评审机制，这一奖项备受业界认可，具有高度的公信力和影响力。

完整获奖名单以网站链接为准：https://www.opticsjournal.net/CL/ZGGXtype=view&postid=PT2404190000292Y5b8‍

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