簡析新型氮化硅光子集成電路實現(xiàn)極低的光學(xué)損耗

據(jù)報道，光子集成電路（PIC）通常采用硅襯底，大自然中有豐富的硅原料，硅的光學(xué)性能也很好。但是，基于硅材料的光子集成電路無法實現(xiàn)所需的各項功能，因此出現(xiàn)了新的材料平臺。氮化硅（Si3N4）就是其中一種，極低的光學(xué)損耗（低于硅材料幾個數(shù)量級）特性使其成為多種關(guān)注低損耗的重要應(yīng)用的首選材料，如窄線寬激光器、光子延遲線和非線性光學(xué)器件。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院的Tobias Kippenberg教授帶領(lǐng)的科學(xué)家團隊已經(jīng)開發(fā)出一種采用氮化硅襯底制造光子集成電路的新技術(shù)，得到了創(chuàng)記錄的低光學(xué)損耗，且芯片尺寸小。這項研究成果已經(jīng)發(fā)表在《自然通訊》上。相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21973-z。

在氮化硅襯底上制作的光子集成電路中有一米長的螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

該技術(shù)結(jié)合了納米工藝技術(shù)和材料科學(xué)，基于EPFL開發(fā)的光子大馬士革工藝，該團隊制造的光子集成電路光學(xué)損耗僅為1 dB/m，創(chuàng)下了所有非線性光子集成材料的記錄。

優(yōu)化后的光子大馬士革工藝流程示意圖

如此低的光學(xué)損耗大大降低了構(gòu)建芯片級光頻梳（“微梳”）的功耗預(yù)算，用于相干光學(xué)收發(fā)器、低噪聲微波合成器、激光雷達、神經(jīng)形態(tài)計算甚至光學(xué)原子鐘等應(yīng)用。

該團隊利用這項新技術(shù)在面積為5mm x 5mm 的芯片上制造出一米長的波導(dǎo)和高質(zhì)量因子微型諧振器。據(jù)研究人員稱，該工藝的良率高，這對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)來講至關(guān)重要。

“這些芯片已經(jīng)用于光參量放大器、窄線寬激光器和芯片級頻率梳?！痹贓PFL微納米技術(shù)中心（CMi）負(fù)責(zé)制程的Junqiu Liu博士談到，“我們也期待看到我們的技術(shù)被用于新興應(yīng)用，如相干探測激光雷達、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和量子計算。”

編輯：jq