集成光學是用光子集成線路實現(xiàn)光信號合成、處理和探測的技術，因此也被稱為“光芯片”技術。在過去20年里，集成光學技術已實現(xiàn)從“實驗室演示”到“工業(yè)級量產(chǎn)”的跨越，并成功應用在高速高容量光通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心。目前，用硅和磷化銦異質集成方式實現(xiàn)的電泵浦半導體激光器芯片已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，并廣泛應用于光互連數(shù)據(jù)中心。然而，硅和磷化銦仍存在光傳輸損耗過高等材料局限。

近日，深圳國際量子研究院研究員劉駿秋團隊與杭州芯傲光電有限公司合作，實現(xiàn)了超低損耗氮化硅集成光學技術從“實驗室演示”到“工業(yè)級大規(guī)模量產(chǎn)”的轉化。聯(lián)合團隊首次在國內建立超低損耗、大尺寸晶圓、厚氮化硅光芯片工藝，且多項指標和綜合性能達到國際最好水平。近日，相關研究在《光子學研究》上發(fā)表。

6寸晶圓上實拍的氮化硅集成光路。

 “光賽道”的挑戰(zhàn)

集成光學被視為有可能突破摩爾定律的“新賽道”，但其自身仍存在諸多發(fā)展局限。其中，實現(xiàn)超低損耗集成光波導是該領域最基本、最核心的挑戰(zhàn)之一。

氮化硅材料的引入，為人們提供了一個解決方案。氮化硅不僅具有多項優(yōu)異的光學特性，而且氮化硅片上集成光波導的加工也能完美兼容當下標準的CMOS硅芯片制造工藝。目前，世界上僅少數(shù)幾個實驗室實現(xiàn)了0.01 dB每厘米甚至更低的光傳輸損耗。利用超低損耗氮化硅片上光波導來構建高品質因子光學微腔和復雜線性網(wǎng)絡，人們實現(xiàn)了芯片集成的光頻率梳、窄線寬激光器、光放大器、壓縮量子光源及光神經(jīng)網(wǎng)絡等。

盡管國際上主要代工廠都能提供氮化硅光芯片生產(chǎn)和流片服務，但其光損耗離學術界報道的最好指標仍有顯著差距。

“事實上，超低損耗氮化硅光芯片在工業(yè)產(chǎn)線上仍面臨很多挑戰(zhàn)。”杭州芯傲光電有限公司總經(jīng)理兼首席技術官葉志超博士告訴《中國科學報》，“比如高質量氮化硅薄膜沉積厚度超過400 納米時，極易產(chǎn)生裂紋。如何在大尺寸晶圓工業(yè)產(chǎn)線上實現(xiàn)超低損耗的厚氮化硅薄膜，同時保證無裂縫和高良率（超過97%），是當下迫切需要解決的問題�！�