集成光學(xué)是用光子集成線路實(shí)現(xiàn)光信號(hào)合成、處理和探測(cè)的技術(shù)，因此也被稱為“光芯片”技術(shù)。在過去20年里，集成光學(xué)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)從“實(shí)驗(yàn)室演示”到“工業(yè)級(jí)量產(chǎn)”的跨越，并成功應(yīng)用在高速高容量光通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心。目前，用硅和磷化銦異質(zhì)集成方式實(shí)現(xiàn)的電泵浦半導(dǎo)體激光器芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并廣泛應(yīng)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(tuán)隊(duì)與杭州芯傲光電有限公司合作，實(shí)現(xiàn)了超低損耗氮化硅集成光學(xué)技術(shù)從“實(shí)驗(yàn)室演示”到“工業(yè)級(jí)大規(guī)模量產(chǎn)”的轉(zhuǎn)化。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次在國內(nèi)建立超低損耗、大尺寸晶圓、厚氮化硅光芯片工藝，且多項(xiàng)指標(biāo)和綜合性能達(dá)到國際最好水平。近日，相關(guān)研究在《光子學(xué)研究》上發(fā)表。

6寸晶圓上實(shí)拍的氮化硅集成光路。

 “光賽道”的挑戰(zhàn)

集成光學(xué)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(shí)現(xiàn)超低損耗集成光波導(dǎo)是該領(lǐng)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(gè)解決方案。氮化硅不僅具有多項(xiàng)優(yōu)異的光學(xué)特性，而且氮化硅片上集成光波導(dǎo)的加工也能完美兼容當(dāng)下標(biāo)準(zhǔn)的CMOS硅芯片制造工藝。目前，世界上僅少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)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(dǎo)來構(gòu)建高品質(zhì)因子光學(xué)微腔和復(fù)雜線性網(wǎng)絡(luò)，人們實(shí)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(luò)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(wù)，但其光損耗離學(xué)術(shù)界報(bào)道的最好指標(biāo)仍有顯著差距。

“事實(shí)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(shù)官葉志超博士告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“比如高質(zhì)量氮化硅薄膜沉積厚度超過400 納米時(shí)，極易產(chǎn)生裂紋。如何在大尺寸晶圓工業(yè)產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)超低損耗的厚氮化硅薄膜，同時(shí)保證無裂縫和高良率（超過97%），是當(dāng)下迫切需要解決的問題�！�