引言
氮化硅（Si3N4）性能特點能夠補充傳統(tǒng)硅絕緣體（SOI）和磷化銦（InP）技術(shù)的不足。本文探討氮化硅波導平臺的基本特性、制造技術(shù)以及多樣化的應(yīng)用場景，展示這一平臺在新一代光子系統(tǒng)中的獨特價值[1]。
氮化硅平臺的核心優(yōu)勢
氮化硅光子平臺通過幾個關(guān)鍵優(yōu)勢區(qū)別于其他集成技術(shù)，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)的局限性。與硅材料在約1100納米以下波長會吸收光線不同，氮化硅在極寬的波長范圍內(nèi)保持透明，從可見光譜的400納米一直延伸到中紅外區(qū)域的2350納米。這個透明窗口使得許多用硅材料無法實現(xiàn)的應(yīng)用得以實現(xiàn)，特別是在可見光傳感、光譜分析和生物光子學領(lǐng)域。
該材料系統(tǒng)由嵌入在二氧化硅（SiO2）包層材料中的氮化硅芯層組成。芯層（在1550納米波長處折射率約為1.98）與二氧化硅包層（折射率約為1.45）之間的折射率差產(chǎn)生適中的光學約束，可以在廣闊的設(shè)計空間內(nèi)進行工程優(yōu)化。這種靈活性允許設(shè)計者根據(jù)不同應(yīng)用優(yōu)化波導，在傳播損耗、最小彎曲半徑和光功率處理能力之間進行權(quán)衡。
圖1：氮化硅、SOI和InP波導的彎曲半徑、傳播損耗和透明窗口對比，展示了各平臺的獨特優(yōu)勢。
圖1呈現(xiàn)了氮化硅、SOI和InP波導技術(shù)之間的詳細比較。數(shù)據(jù)顯示，雖然SOI波導由于更高的折射率差能夠?qū)崿F(xiàn)更緊的彎曲半徑，但氮化硅波導在實現(xiàn)超低傳播損耗方面表現(xiàn)卓越，在適中彎曲半徑下可達到低于0.001 dB/cm的損耗。插圖中的透明窗口比較展示了氮化硅從可見光到中紅外波長的優(yōu)越覆蓋范圍。
氮化硅波導技術(shù)的發(fā)展歷程
氮化硅波導的發(fā)展可以追溯到20世紀70年代末，當時研究人員首次演示了能夠引導632納米光的平板波導。這些早期結(jié)構(gòu)在硅基底上采用熱生長二氧化硅作為下包層，使用化學氣相沉積（CVD）形成氮化硅芯層。熱氧化工藝產(chǎn)生了異常平滑的界面和低損耗包層材料，建立了至今仍然適用的制造基礎(chǔ)。
到1987年，研究人員通過改進CVD工藝和熱退火技術(shù)，在電信波段實現(xiàn)了低于0.3 dB/cm的傳播損耗。退火工藝被證明特別有價值，高溫處理驅(qū)除了氫基吸收雜質(zhì)，并使沉積薄膜致密化以減少光散射。這些早期發(fā)展確定了關(guān)鍵的吸收峰位置：氮化硅芯層在1.52微米處，二氧化硅包層在1.40微米處，兩者都歸因于氫污染。
超低損耗波導的突破來自DARPA的iPHOD計劃，該計劃目標是在25米波導長度上實現(xiàn)0.01 dB/m的傳播損耗。UCSB和LioniX的研究人員使用創(chuàng)新制造方法，在1580納米波長處實現(xiàn)了0.045 dB/m的紀錄性低損耗。這些超低損耗波導采用薄型高縱橫比芯層（40納米厚），最大程度減少了側(cè)壁散射。一個關(guān)鍵創(chuàng)新是在蝕刻波導上沉積保形的低壓CVD氧化物，通過化學機械拋光進行平坦化，并將熱生長氧化物上包層進行晶圓鍵合，以消除沉積薄膜帶來的損耗。
波導設(shè)計原理與幾何結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代氮化硅波導平臺提供三種主要的橫截面幾何結(jié)構(gòu)，每種都針對不同的應(yīng)用空間進行了優(yōu)化。對稱雙條紋幾何結(jié)構(gòu)具有二氧化硅包層和氮化硅芯層的交替層疊，實現(xiàn)單模傳播并具有出色的損耗特性。非對稱雙條紋和盒形設(shè)計為需要更緊彎曲或更強非線性相互作用的應(yīng)用提供了增強的約束。埋入式波導幾何結(jié)構(gòu)是光子大馬士革工藝的核心，支持最厚可達6.5微米的氮化硅芯層，用于高度緊湊的器件和高效的非線性光學過程。
圖2：不同類型氮化硅波導的橫截面視圖和掃描電鏡照片：(a)單條紋；(b)多層雙條紋和非對稱配置；(c)埋入式波導結(jié)構(gòu)。
氮化硅波導的設(shè)計空間涉及仔細平衡芯層厚度、波導寬度和彎曲半徑以實現(xiàn)期望的性能指標。寬度約為1-3微米的薄芯層能夠?qū)崿F(xiàn)超低損耗傳播，彎曲半徑為幾毫米，適合需要高品質(zhì)因數(shù)和低光功率密度的應(yīng)用。當芯層厚度增加到100-175納米時，設(shè)計者可以在接受略高損耗的情況下減小彎曲半徑，適合自由光譜范圍在數(shù)十GHz范圍內(nèi)的更緊湊器件。
圖3：氮化硅波導的設(shè)計權(quán)衡，顯示(a)品質(zhì)因數(shù)與芯層厚度和彎曲半徑的關(guān)系；(b)關(guān)鍵彎曲半徑關(guān)系；(c)模式約束區(qū)域；(d)不同設(shè)計參數(shù)下的損耗敏感性。
圖3展示了支配氮化硅波導性能的基本設(shè)計原理。面板(a)中的品質(zhì)因數(shù)分析顯示，設(shè)計者如何通過薄芯層和大彎曲半徑實現(xiàn)數(shù)千萬的Q值，或通過較厚芯層和更緊彎曲實現(xiàn)幾百萬的Q值。面板(b)顯示了對于各種芯層厚度，彎曲損耗開始主導散射損耗的臨界彎曲半徑。面板(c)中的模式約束圖揭示了隨著波導寬度變化，從擠壓模式到高約束模式的轉(zhuǎn)變，而面板(d)繪制了散射限制和彎曲損耗限制區(qū)域之間的設(shè)計空間。
構(gòu)建模塊與代工廠集成
氮化硅技術(shù)的成熟帶來了多個商業(yè)代工廠的完整工藝設(shè)計套件（PDK），包括LioniX的TriPleX平臺、Ligentec的大馬士革工藝和IMEC的BioPIX平臺。這些代工廠為設(shè)計者提供經(jīng)過驗證的構(gòu)建模塊，包括每90度轉(zhuǎn)彎損耗低于0.001 dB的波導彎曲、插入損耗約0.015 dB的交叉結(jié)構(gòu)，以及具有精確控制耦合比的定向耦合器。
有源功能集成通過異質(zhì)方法擴展了氮化硅平臺的能力。在側(cè)壁蝕刻的氮化硅波導上沉積摻鉺鋁氧化物（Al2O3:Er3+）層，可以創(chuàng)建分布式布拉格反射器（DBR）和分布反饋（DFB）激光器，線寬低于3 kHz，在高達400攝氏度的溫度下穩(wěn)定運行。利用壓電鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜的應(yīng)力光調(diào)制器實現(xiàn)了超低功耗的調(diào)制。這些有源元件與無源氮化硅波導結(jié)合，實現(xiàn)了完整的片上光子系統(tǒng)。
圖4：摻鉺Al2O3:Er3+與氮化硅波導集成，顯示(a)側(cè)壁蝕刻DBR和DFB結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像；(b)單片WDM激光陣列配置；(c)展示多個波長通道的光譜輸出。
集成激光器與窄線寬光源
氮化硅平臺支持幾種片上激光器集成方法，每種方法在不同應(yīng)用中都有獨特優(yōu)勢。外腔配置將半導體光放大器耦合到高Q氮化硅微環(huán)諧振器，實現(xiàn)低于300 Hz的基本線寬和寬范圍可調(diào)輸出。超高Q氮化硅腔體中的長光子壽命為相干通信和精密計量應(yīng)用提供了必需的窄線寬。
圖5：InP-氮化硅混合外腔激光器架構(gòu)，顯示(a)帶有SOA增益部分和可調(diào)氮化硅鏡元件的系統(tǒng)示意圖；(b)封裝器件組裝照片。
光泵浦稀土離子摻雜激光器代表了另一種強大的集成方法。這些器件表現(xiàn)出優(yōu)于半導體激光器的溫度穩(wěn)定性和低噪聲特性，激射線寬約為3 kHz。制造的簡便性特別有吸引力，只需要單次光刻和蝕刻步驟來定義側(cè)壁布拉格光柵，通過調(diào)整晶圓上的光柵周期實現(xiàn)波分復用激光陣列。高溫運行能力在超過400攝氏度時保持性能，使得該技術(shù)能夠在半導體激光器失效的惡劣環(huán)境中應(yīng)用。
可見波長微激光器已經(jīng)通過膠體量子點實現(xiàn)，量子點夾在氮化硅微盤諧振器和總線波導之間。這些結(jié)構(gòu)在光泵浦時在630納米處實現(xiàn)激射，氮化硅平臺提供了達到閾值所需的低損耗腔體。量子點層與氮化硅波導之間的垂直耦合幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了產(chǎn)生的激光的高效提取。
先進光學濾波與信號處理
氮化硅波導的超低損耗特性使得光學濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)以前只有體光學才能達到的性能。耦合諧振器光波導（CROW）結(jié)構(gòu)，光通過弱耦合高Q腔體鏈傳播，實現(xiàn)了超過80 dB的消光比，同時保持低于1.3 dB的插入損耗。平坦的通帶響應(yīng)和通過集成熱元件實現(xiàn)的全自由光譜范圍可調(diào)性，使這些濾波器成為從非線性光學中的泵浦信號分離到微波光子學中精確通道選擇的理想選擇。
圖6：超低損耗三階CROW濾波器，顯示(a)器件示意圖；(b)測得的80 dB消光比響應(yīng)；(c)跨完整FSR的熱調(diào)諧；(d)制造芯片照片。
由具有熱相位控制的級聯(lián)馬赫-曾德爾干涉儀構(gòu)建的可編程濾波器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了包括有限脈沖響應(yīng)（FIR）和無限脈沖響應(yīng)（IIR）配置在內(nèi)的多種濾波功能。這些多功能結(jié)構(gòu)能夠同時對多個波分復用通道進行色散補償，相比笨重的色散補償光纖和高功耗數(shù)字信號處理方法具有顯著優(yōu)勢。一個十階格子濾波器演示了使用單個集成器件在100 GHz網(wǎng)格上每個通道從負500到正500皮秒/納米的連續(xù)色散調(diào)諧。
圖7：可編程濾波器架構(gòu)，包括(a)互連MZ耦合器的2D網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)；(b)實現(xiàn)的濾波功能示例，包括陷波濾波器、帶通響應(yīng)、希爾伯特變換和可調(diào)延遲。
用于微波光子系統(tǒng)的通道化利用氮化硅低損耗耦合諧振器網(wǎng)絡(luò)與可調(diào)功率耦合元件。這些器件在頻分系統(tǒng)中選擇單個通道，帶寬可從數(shù)十兆赫茲調(diào)整到數(shù)百兆赫茲，這對于工作在10.7至12.75 GHz的衛(wèi)星通信輸入復用器至關(guān)重要。熱調(diào)諧相移器和可變功率耦合器的組合實現(xiàn)了任意濾波器編程，中心頻率可在完整自由光譜范圍內(nèi)調(diào)諧。
圖8：用于衛(wèi)星通信的光學通道化器，顯示(a)功能線路設(shè)計；(b)三維芯片布局；(c)照明下的制造芯片；(d)多通道的測量傳輸特性。
光學延遲線與真實時間延遲應(yīng)用
氮化硅波導每米傳播長度提供約12.5納秒的延遲，能夠在不需要過大占用面積的情況下實現(xiàn)可觀的片上延遲。采用最小彎曲半徑約10毫米的螺旋線圈配置，使用深紫外光刻在大面積芯片上制造的25米長結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高達250納秒的延遲。這些單層設(shè)計采用優(yōu)化的90度交叉，每個交叉的損耗低于0.016 dB，允許多個波導轉(zhuǎn)彎，同時保持總傳播損耗低于0.8 dB/m。
圖9：用紅色激光照明的大面積螺旋延遲線照片，顯示25圈線圈和50個交叉點，總長度達到3米。
用于相控陣天線的光學波束形成網(wǎng)絡(luò)代表了一個要求嚴苛的應(yīng)用，氮化硅平臺的優(yōu)勢在此得到充分體現(xiàn)。這些系統(tǒng)需要寬瞬時帶寬、連續(xù)幅度控制以及可擴展到眾多元件的精確陣列元件延遲可調(diào)性。使用基于環(huán)諧振器的連續(xù)可調(diào)延遲元件的實現(xiàn)展示了跨16個輸入通道的4.5 GHz光學帶寬和290皮秒的最大延遲。對稱二叉樹組合架構(gòu)包含40個環(huán)諧振器延遲線，以及光學邊帶濾波器和載波重新插入耦合器，實現(xiàn)了完整的波束形成功能。
圖10：光學波束形成網(wǎng)絡(luò)，顯示(a)帶有基于諧振器延遲元件的系統(tǒng)架構(gòu)；(b)完整的芯片布局掩模設(shè)計。
使用馬赫-曾德爾開關(guān)陣列和離散延遲段的可切換延遲線創(chuàng)建了用于寬帶相控陣雷達和其他射頻應(yīng)用的多位可調(diào)延遲。一個四位實現(xiàn)演示了使用2.407米總傳播長度實現(xiàn)高達12.35納秒的時間延遲，分辨率為0.85納秒。低損耗氮化硅平臺使這些復雜的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)能夠在寬帶寬上保持信號完整性。
圖11：包含MZ開關(guān)和離散延遲段的四位可切換可調(diào)延遲，顯示布局圖和制造芯片照片。
由級聯(lián)非對稱馬赫-曾德爾干涉儀構(gòu)建的可編程格子濾波器利用氮化硅的低損耗特性實現(xiàn)多級色散補償。一個使用21個級聯(lián)干涉儀級的十階設(shè)計，延遲匹配波分復用通道間隔，實現(xiàn)了跨多個通道的同時色散補償。這種方法在占用面積方面相比色散補償光纖具有顯著優(yōu)勢，在功耗方面相比數(shù)字信號處理解決方案更有優(yōu)勢，演示的色散調(diào)諧范圍為每通道1000皮秒/納米。
圖12：可編程格子濾波器，顯示(a)帶有級聯(lián)非對稱MZ干涉儀的十階配置；(b)制造芯片照片；(c)測量的傳輸和群延遲調(diào)諧特性。
光學頻率梳產(chǎn)生
基于微諧振器的光學頻率梳發(fā)生器利用超高Q氮化硅腔體和克爾非線性的組合，產(chǎn)生線間距超過100 GHz的寬帶相干頻率梳。耗散克爾孤子方法平衡非線性四波混頻參量增益與腔體損耗和色散，創(chuàng)建連續(xù)循環(huán)的脈沖，在諧振器輸出端產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率梳。半徑為240微米的氮化硅諧振器展示了6 THz的3 dB帶寬，覆蓋完整的電信C波段和L波段。
圖13：克爾頻率梳產(chǎn)生，顯示(a)基于諧振器的四波混頻原理；(b)測得的穩(wěn)定梳譜，帶寬為6 THz；(c)將氮化硅梳發(fā)生器與硅調(diào)制器陣列集成的概念太比特/秒發(fā)射器。
氮化硅在可見光和紅外光譜范圍內(nèi)沒有雙光子吸收，這與硅不同，使得克爾驅(qū)動的四波混頻能夠在沒有非線性損耗機制的情況下高效運行。這一優(yōu)勢對于將梳產(chǎn)生擴展到硅會吸收的可見波長特別有價值。氮化硅光子技術(shù)的設(shè)計靈活性允許針對特定應(yīng)用優(yōu)化諧振器的自由光譜范圍，線間距可以定制以匹配電信的波分復用通道網(wǎng)格或光譜學和頻率計量的適當間隔。
微諧振器梳在電信應(yīng)用中的演示實現(xiàn)了以太比特每秒數(shù)據(jù)速率運行的大規(guī)模并行相干光通信。這些系統(tǒng)用單個氮化硅梳發(fā)生器替代大型單獨激光器陣列，大幅降低功耗和系統(tǒng)復雜度。與硅光子多通道調(diào)制器的集成創(chuàng)建了完整的發(fā)射器子系統(tǒng)，結(jié)合了氮化硅和硅平臺的最佳屬性。
超連續(xù)譜產(chǎn)生與光譜展寬
通過氮化硅波導中的超連續(xù)譜過程產(chǎn)生的超寬帶光譜服務(wù)于生物光子學、光學相干斷層掃描和頻率計量等應(yīng)用。早期演示使用厘米長波導中1.3和1.5微米的超短脈沖，產(chǎn)生了延伸到可見光范圍邊緣的光譜。氮化硅中的色散工程能力使得能夠針對特定泵浦波長優(yōu)化波導幾何結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)高效的光譜展寬。
將超連續(xù)譜產(chǎn)生延伸到可見光譜深處需要更短的波長泵浦和適當?shù)纳⒃O(shè)計。在可見光泵浦的一厘米氮化硅波導實現(xiàn)了從488納米到978納米的倍頻程跨越帶寬，光譜覆蓋310 THz。演示的最寬超連續(xù)譜從可見光的470納米延伸到紅外的2130納米，包含超過495 THz的帶寬。這種非凡的光譜覆蓋使得自參考頻率梳能夠在精密計量應(yīng)用中消除對外部光學參考的需要。
圖14：氮化硅波導中的超連續(xù)譜產(chǎn)生，顯示(a)從470到2130納米跨越497 THz的光譜；(b)展示可見光到紅外覆蓋的光譜色散輸出照片。
使用在電信波長泵浦的化學計量氮化硅波導產(chǎn)生的創(chuàng)紀錄雙倍頻程超連續(xù)譜，產(chǎn)生了從可見光約526納米到中紅外超過2.6微米的光譜。緊湊氮化硅波導中能量高效的倍頻程跨越超連續(xù)譜已經(jīng)實現(xiàn)了穩(wěn)定的低噪聲頻率梳，用于需要極高頻率穩(wěn)定性的精密應(yīng)用。
光譜傳感與芯片上實驗室集成
氮化硅的寬透明窗口使得能夠在單個芯片上集成光源、傳感器和檢測元件的綜合光譜系統(tǒng)。工作在可見光（400-700納米）、近紅外（700-1000納米）和中紅外（1000-1700納米）波段的陣列波導光柵光譜儀為組織傳感和化學分析應(yīng)用提供了完整的波長覆蓋。這些集成光譜儀用適合便攜式和遠程傳感的芯片級實現(xiàn)替代了笨重的棱鏡或光柵系統(tǒng)。
圖15：用于組織傳感的集成氮化硅光子光譜儀，顯示具有色散超連續(xù)譜輸入的可見波長陣列波導光柵的成像輸出。
微光流體系統(tǒng)利用氮化硅波導通過倏逝場或折射率傳感模式分析流體和氣體。倏逝傳感涉及去除波導頂部包層，使光學模式直接與環(huán)境相互作用。具有暴露傳感窗口的總線耦合環(huán)諧振器配置通過諧振場增強提高靈敏度，檢測分析物濃度或組成的微小變化。替代方法是蝕刻通過波導芯層的槽或通道，創(chuàng)建流體傳感通道，其中待分析材料直接改變光傳播特性。
圖16：光流體傳感器配置，顯示(a)倏逝傳感幾何的橫截面示意圖；(b)光學模式與傳感窗口的相互作用；(c)與總線耦合環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的集成。
使用氮化硅雙波導捕獲配置的拉曼光譜實現(xiàn)同時實現(xiàn)了粒子固定和光譜分析。785納米激光通過光學力同時捕獲粒子并產(chǎn)生拉曼散射用于分子指紋識別。從刻面波導發(fā)射到蝕刻流體通道的反向傳播光束創(chuàng)建光學陷阱，散射光通過相同的波導結(jié)構(gòu)收集。這種集成方法將復雜的分析能力從實驗室環(huán)境帶到便攜式芯片上實驗室格式。
圖17：集成拉曼光譜系統(tǒng)，顯示(a)梯形盒波導橫截面；(b)掃描電鏡圖像；(c)光學模式輪廓；(d)捕獲幾何的顯微鏡圖像；(e)形成流體通道的蝕刻間隙區(qū)域。
用于熒光顯微鏡和超分辨率成像應(yīng)用的可見光波長組合使用氮化硅光子線路將多條激光線集成到單模光纖輸出中。這些集成激光束組合器用芯片級波長選擇組件替代體光學實現(xiàn)，包括總線耦合諧振器、馬赫-曾德爾干涉儀和陣列波導光柵。需要四到八條跨越405到638納米的激光線的典型顯微應(yīng)用受益于氮化硅平臺提供的緊湊集成和穩(wěn)定對準。
圖18：集成激光束組合器系統(tǒng)照片，顯示具有多個可見波長激光二極管輸入和耦合光學元件的氮化硅芯片，位于緊湊的10×10厘米占用空間內(nèi)。
新興應(yīng)用與未來發(fā)展方向
氮化硅光子技術(shù)繼續(xù)擴展到新的應(yīng)用領(lǐng)域，利用超低損耗、寬透明度和CMOS兼容制造的獨特組合。用于慣性導航的集成光學陀螺儀利用在單個芯片上延伸數(shù)十米的低損耗波導線圈，實現(xiàn)了以前需要光纖實現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)靈敏度。光量子通信和計算應(yīng)用利用氮化硅波導產(chǎn)生、操縱和檢測光的量子態(tài)，低損耗平臺使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有眾多組件的復雜量子線路。
天文儀器受益于氮化硅陣列波導光柵光譜儀，在適合天基望遠鏡的緊湊格式中提供高光譜分辨率。激光探測和測距（LIDAR）系統(tǒng)采用氮化硅納米光子相控陣在紅外和可見波長進行光束轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)無機械組件的固態(tài)掃描。異質(zhì)集成方法的持續(xù)發(fā)展有望將氮化硅低損耗無源元件與高速硅調(diào)制器和高效III-V光源相結(jié)合，創(chuàng)建利用各平臺優(yōu)勢的完整光子系統(tǒng)。
商業(yè)代工廠工藝與綜合工藝設(shè)計套件的成熟加速了從實驗室演示到部署系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在多家供應(yīng)商提供多項目晶圓服務(wù)，為原型制作和小批量生產(chǎn)提供氮化硅技術(shù)的訪問。這種代工廠可用性，結(jié)合平臺在損耗、透明度和功率處理方面的固有優(yōu)勢，使氮化硅光子技術(shù)成為下一代集成光學系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)，應(yīng)用范圍涵蓋電信、傳感、計量和新興光量子應(yīng)用。用于增強非線性相互作用的更厚芯層工藝、改進的有源元件集成以及先進封裝解決方案的持續(xù)開發(fā)繼續(xù)擴展這一多功能光子平臺的能力和應(yīng)用空間。
參考文獻
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