简析新型氮化硅光子集成电路实现极低的光学损耗

据报道，光子集成电路（PIC）通常采用硅衬底，大自然中有丰富的硅原料，硅的光学性能也很好。但是，基于硅材料的光子集成电路无法实现所需的各项功能，因此出现了新的材料平台。氮化硅（Si3N4）就是其中一种，极低的光学损耗（低于硅材料几个数量级）特性使其成为多种关注低损耗的重要应用的首选材料，如窄线宽激光器、光子延迟线和非线性光学器件。

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）基础科学学院的Tobias Kippenberg教授带领的科学家团队已经开发出一种采用氮化硅衬底制造光子集成电路的新技术，得到了创记录的低光学损耗，且芯片尺寸小。这项研究成果已经发表在《自然通讯》上。相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21973-z。

在氮化硅衬底上制作的光子集成电路中有一米长的螺旋波导结构

该技术结合了纳米工艺技术和材料科学，基于EPFL开发的光子大马士革工艺，该团队制造的光子集成电路光学损耗仅为1 dB/m，创下了所有非线性光子集成材料的记录。

优化后的光子大马士革工艺流程示意图

如此低的光学损耗大大降低了构建芯片级光频梳（“微梳”）的功耗预算，用于相干光学收发器、低噪声微波合成器、激光雷达、神经形态计算甚至光学原子钟等应用。

该团队利用这项新技术在面积为5mm x 5mm 的芯片上制造出一米长的波导和高质量因子微型谐振器。据研究人员称，该工艺的良率高，这对实现工业生产来讲至关重要。

“这些芯片已经用于光参量放大器、窄线宽激光器和芯片级频率梳。”在EPFL微纳米技术中心（CMi）负责制程的Junqiu Liu博士谈到，“我们也期待看到我们的技术被用于新兴应用，如相干探测激光雷达、光子神经网络和量子计算。”

编辑：jq