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引言

氮化硅光子平台通过几个关键优势区别于其他集成技术，有效解决了现有技术的局限性。与硅材料在约1100纳米以下波长会吸收光线不同，氮化硅在极宽的波长范围内保持透明，从可见光谱的400纳米一直延伸到中红外区域的2350纳米。这个透明窗口使得许多用硅材料无法实现的应用得以实现，特别是在可见光传感、光谱分析和生物光子学领域。

该材料系统由嵌入在二氧化硅（SiO2）包层材料中的氮化硅芯层组成。芯层（在1550纳米波长处折射率约为1.98）与二氧化硅包层（折射率约为1.45）之间的折射率差产生适中的光学约束，可以在广阔的设计空间内进行工程优化。这种灵活性允许设计者根据不同应用优化波导，在传播损耗、最小弯曲半径和光功率处理能力之间进行权衡。

图1：氮化硅、SOI和InP波导的弯曲半径、传播损耗和透明窗口对比，展示了各平台的独特优势。

图1呈现了氮化硅、SOI和InP波导技术之间的详细比较。数据显示，虽然SOI波导由于更高的折射率差能够实现更紧的弯曲半径，但氮化硅波导在实现超低传播损耗方面表现卓越，在适中弯曲半径下可达到低于0.001 dB/cm的损耗。插图中的透明窗口比较展示了氮化硅从可见光到中红外波长的优越覆盖范围。

氮化硅波导的发展可以追溯到20世纪70年代末，当时研究人员首次演示了能够引导632纳米光的平板波导。这些早期结构在硅基底上采用热生长二氧化硅作为下包层，使用化学气相沉积（CVD）形成氮化硅芯层。热氧化工艺产生了异常平滑的界面和低损耗包层材料，建立了至今仍然适用的制造基础。

到1987年，研究人员通过改进CVD工艺和热退火技术，在电信波段实现了低于0.3 dB/cm的传播损耗。退火工艺被证明特别有价值，高温处理驱除了氢基吸收杂质，并使沉积薄膜致密化以减少光散射。这些早期发展确定了关键的吸收峰位置：氮化硅芯层在1.52微米处，二氧化硅包层在1.40微米处，两者都归因于氢污染。

超低损耗波导的突破来自DARPA的iPHOD计划，该计划目标是在25米波导长度上实现0.01 dB/m的传播损耗。UCSB和LioniX的研究人员使用创新制造方法，在1580纳米波长处实现了0.045 dB/m的纪录性低损耗。这些超低损耗波导采用薄型高纵横比芯层（40纳米厚），最大程度减少了侧壁散射。一个关键创新是在蚀刻波导上沉积保形的低压CVD氧化物，通过化学机械抛光进行平坦化，并将热生长氧化物上包层进行晶圆键合，以消除沉积薄膜带来的损耗。

现代氮化硅波导平台提供三种主要的横截面几何结构，每种都针对不同的应用空间进行了优化。对称双条纹几何结构具有二氧化硅包层和氮化硅芯层的交替层叠，实现单模传播并具有出色的损耗特性。非对称双条纹和盒形设计为需要更紧弯曲或更强非线性相互作用的应用提供了增强的约束。埋入式波导几何结构是光子大马士革工艺的核心，支持最厚可达6.5微米的氮化硅芯层，用于高度紧凑的器件和高效的非线性光学过程。

图2：不同类型氮化硅波导的横截面视图和扫描电镜照片：(a)单条纹；(b)多层双条纹和非对称配置；(c)埋入式波导结构。

氮化硅波导的设计空间涉及仔细平衡芯层厚度、波导宽度和弯曲半径以实现期望的性能指标。宽度约为1-3微米的薄芯层能够实现超低损耗传播，弯曲半径为几毫米，适合需要高品质因数和低光功率密度的应用。当芯层厚度增加到100-175纳米时，设计者可以在接受略高损耗的情况下减小弯曲半径，适合自由光谱范围在数十GHz范围内的更紧凑器件。

图3：氮化硅波导的设计权衡，显示(a)品质因数与芯层厚度和弯曲半径的关系；(b)关键弯曲半径关系；(c)模式约束区域；(d)不同设计参数下的损耗敏感性。

图3展示了支配氮化硅波导性能的基本设计原理。面板(a)中的品质因数分析显示，设计者如何通过薄芯层和大弯曲半径实现数千万的Q值，或通过较厚芯层和更紧弯曲实现几百万的Q值。面板(b)显示了对于各种芯层厚度，弯曲损耗开始主导散射损耗的临界弯曲半径。面板(c)中的模式约束图揭示了随着波导宽度变化，从挤压模式到高约束模式的转变，而面板(d)绘制了散射限制和弯曲损耗限制区域之间的设计空间。

氮化硅技术的成熟带来了多个商业代工厂的完整工艺设计套件（PDK），包括LioniX的TriPleX平台、Ligentec的大马士革工艺和IMEC的BioPIX平台。这些代工厂为设计者提供经过验证的构建模块，包括每90度转弯损耗低于0.001 dB的波导弯曲、插入损耗约0.015 dB的交叉结构，以及具有精确控制耦合比的定向耦合器。

有源功能集成通过异质方法扩展了氮化硅平台的能力。在侧壁蚀刻的氮化硅波导上沉积掺铒铝氧化物（Al2O3:Er3+）层，可以创建分布式布拉格反射器（DBR）和分布反馈（DFB）激光器，线宽低于3 kHz，在高达400摄氏度的温度下稳定运行。利用压电锆钛酸铅（PZT）薄膜的应力光调制器实现了超低功耗的调制。这些有源元件与无源氮化硅波导结合，实现了完整的片上光子系统。

图4：掺铒Al2O3:Er3+与氮化硅波导集成，显示(a)侧壁蚀刻DBR和DFB结构的扫描电镜图像；(b)单片WDM激光阵列配置；(c)展示多个波长通道的光谱输出。

氮化硅平台支持几种片上激光器集成方法，每种方法在不同应用中都有独特优势。外腔配置将半导体光放大器耦合到高Q氮化硅微环谐振器，实现低于300 Hz的基本线宽和宽范围可调输出。超高Q氮化硅腔体中的长光子寿命为相干通信和精密计量应用提供了必需的窄线宽。

图5：InP-氮化硅混合外腔激光器架构，显示(a)带有SOA增益部分和可调氮化硅镜元件的系统示意图；(b)封装器件组装照片。

光泵浦稀土离子掺杂激光器代表了另一种强大的集成方法。这些器件表现出优于半导体激光器的温度稳定性和低噪声特性，激射线宽约为3 kHz。制造的简便性特别有吸引力，只需要单次光刻和蚀刻步骤来定义侧壁布拉格光栅，通过调整晶圆上的光栅周期实现波分复用激光阵列。高温运行能力在超过400摄氏度时保持性能，使得该技术能够在半导体激光器失效的恶劣环境中应用。

可见波长微激光器已经通过胶体量子点实现，量子点夹在氮化硅微盘谐振器和总线波导之间。这些结构在光泵浦时在630纳米处实现激射，氮化硅平台提供了达到阈值所需的低损耗腔体。量子点层与氮化硅波导之间的垂直耦合几何结构实现了产生的激光的高效提取。

氮化硅波导的超低损耗特性使得光学滤波器能够实现以前只有体光学才能达到的性能。耦合谐振器光波导（CROW）结构，光通过弱耦合高Q腔体链传播，实现了超过80 dB的消光比，同时保持低于1.3 dB的插入损耗。平坦的通带响应和通过集成热元件实现的全自由光谱范围可调性，使这些滤波器成为从非线性光学中的泵浦信号分离到微波光子学中精确通道选择的理想选择。

图6：超低损耗三阶CROW滤波器，显示(a)器件示意图；(b)测得的80 dB消光比响应；(c)跨完整FSR的热调谐；(d)制造芯片照片。

由具有热相位控制的级联马赫-曾德尔干涉仪构建的可编程滤波器网络实现了包括有限脉冲响应（FIR）和无限脉冲响应（IIR）配置在内的多种滤波功能。这些多功能结构能够同时对多个波分复用通道进行色散补偿，相比笨重的色散补偿光纤和高功耗数字信号处理方法具有显著优势。一个十阶格子滤波器演示了使用单个集成器件在100 GHz网格上每个通道从负500到正500皮秒/纳米的连续色散调谐。

图7：可编程滤波器架构，包括(a)互连MZ耦合器的2D网格网络；(b)实现的滤波功能示例，包括陷波滤波器、带通响应、希尔伯特变换和可调延迟。

用于微波光子系统的通道化利用氮化硅低损耗耦合谐振器网络与可调功率耦合元件。这些器件在频分系统中选择单个通道，带宽可从数十兆赫兹调整到数百兆赫兹，这对于工作在10.7至12.75 GHz的卫星通信输入复用器至关重要。热调谐相移器和可变功率耦合器的组合实现了任意滤波器编程，中心频率可在完整自由光谱范围内调谐。

图8：用于卫星通信的光学通道化器，显示(a)功能线路设计；(b)三维芯片布局；(c)照明下的制造芯片；(d)多通道的测量传输特性。

氮化硅波导每米传播长度提供约12.5纳秒的延迟，能够在不需要过大占用面积的情况下实现可观的片上延迟。采用最小弯曲半径约10毫米的螺旋线圈配置，使用深紫外光刻在大面积芯片上制造的25米长结构可实现高达250纳秒的延迟。这些单层设计采用优化的90度交叉，每个交叉的损耗低于0.016 dB，允许多个波导转弯，同时保持总传播损耗低于0.8 dB/m。

图9：用红色激光照明的大面积螺旋延迟线照片，显示25圈线圈和50个交叉点，总长度达到3米。

用于相控阵天线的光学波束形成网络代表了一个要求严苛的应用，氮化硅平台的优势在此得到充分体现。这些系统需要宽瞬时带宽、连续幅度控制以及可扩展到众多元件的精确阵列元件延迟可调性。使用基于环谐振器的连续可调延迟元件的实现展示了跨16个输入通道的4.5 GHz光学带宽和290皮秒的最大延迟。对称二叉树组合架构包含40个环谐振器延迟线，以及光学边带滤波器和载波重新插入耦合器，实现了完整的波束形成功能。

图10：光学波束形成网络，显示(a)带有基于谐振器延迟元件的系统架构；(b)完整的芯片布局掩模设计。

使用马赫-曾德尔开关阵列和离散延迟段的可切换延迟线创建了用于宽带相控阵雷达和其他射频应用的多位可调延迟。一个四位实现演示了使用2.407米总传播长度实现高达12.35纳秒的时间延迟，分辨率为0.85纳秒。低损耗氮化硅平台使这些复杂的开关网络能够在宽带宽上保持信号完整性。

图11：包含MZ开关和离散延迟段的四位可切换可调延迟，显示布局图和制造芯片照片。

由级联非对称马赫-曾德尔干涉仪构建的可编程格子滤波器利用氮化硅的低损耗特性实现多级色散补偿。一个使用21个级联干涉仪级的十阶设计，延迟匹配波分复用通道间隔，实现了跨多个通道的同时色散补偿。这种方法在占用面积方面相比色散补偿光纤具有显著优势，在功耗方面相比数字信号处理解决方案更有优势，演示的色散调谐范围为每通道1000皮秒/纳米。

图12：可编程格子滤波器，显示(a)带有级联非对称MZ干涉仪的十阶配置；(b)制造芯片照片；(c)测量的传输和群延迟调谐特性。

基于微谐振器的光学频率梳发生器利用超高Q氮化硅腔体和克尔非线性的组合，产生线间距超过100 GHz的宽带相干频率梳。耗散克尔孤子方法平衡非线性四波混频参量增益与腔体损耗和色散，创建连续循环的脉冲，在谐振器输出端产生稳定的频率梳。半径为240微米的氮化硅谐振器展示了6 THz的3 dB带宽，覆盖完整的电信C波段和L波段。

图13：克尔频率梳产生，显示(a)基于谐振器的四波混频原理；(b)测得的稳定梳谱，带宽为6 THz；(c)将氮化硅梳发生器与硅调制器阵列集成的概念太比特/秒发射器。

氮化硅在可见光和红外光谱范围内没有双光子吸收，这与硅不同，使得克尔驱动的四波混频能够在没有非线性损耗机制的情况下高效运行。这一优势对于将梳产生扩展到硅会吸收的可见波长特别有价值。氮化硅光子技术的设计灵活性允许针对特定应用优化谐振器的自由光谱范围，线间距可以定制以匹配电信的波分复用通道网格或光谱学和频率计量的适当间隔。

微谐振器梳在电信应用中的演示实现了以太比特每秒数据速率运行的大规模并行相干光通信。这些系统用单个氮化硅梳发生器替代大型单独激光器阵列，大幅降低功耗和系统复杂度。与硅光子多通道调制器的集成创建了完整的发射器子系统，结合了氮化硅和硅平台的最佳属性。

通过氮化硅波导中的超连续谱过程产生的超宽带光谱服务于生物光子学、光学相干断层扫描和频率计量等应用。早期演示使用厘米长波导中1.3和1.5微米的超短脉冲，产生了延伸到可见光范围边缘的光谱。氮化硅中的色散工程能力使得能够针对特定泵浦波长优化波导几何结构以实现高效的光谱展宽。

将超连续谱产生延伸到可见光谱深处需要更短的波长泵浦和适当的色散设计。在可见光泵浦的一厘米氮化硅波导实现了从488纳米到978纳米的倍频程跨越带宽，光谱覆盖310 THz。演示的最宽超连续谱从可见光的470纳米延伸到红外的2130纳米，包含超过495 THz的带宽。这种非凡的光谱覆盖使得自参考频率梳能够在精密计量应用中消除对外部光学参考的需要。

图14：氮化硅波导中的超连续谱产生，显示(a)从470到2130纳米跨越497 THz的光谱；(b)展示可见光到红外覆盖的光谱色散输出照片。

使用在电信波长泵浦的化学计量氮化硅波导产生的创纪录双倍频程超连续谱，产生了从可见光约526纳米到中红外超过2.6微米的光谱。紧凑氮化硅波导中能量高效的倍频程跨越超连续谱已经实现了稳定的低噪声频率梳，用于需要极高频率稳定性的精密应用。

氮化硅的宽透明窗口使得能够在单个芯片上集成光源、传感器和检测元件的综合光谱系统。工作在可见光（400-700纳米）、近红外（700-1000纳米）和中红外（1000-1700纳米）波段的阵列波导光栅光谱仪为组织传感和化学分析应用提供了完整的波长覆盖。这些集成光谱仪用适合便携式和远程传感的芯片级实现替代了笨重的棱镜或光栅系统。

图15：用于组织传感的集成氮化硅光子光谱仪，显示具有色散超连续谱输入的可见波长阵列波导光栅的成像输出。

微光流体系统利用氮化硅波导通过倏逝场或折射率传感模式分析流体和气体。倏逝传感涉及去除波导顶部包层，使光学模式直接与环境相互作用。具有暴露传感窗口的总线耦合环谐振器配置通过谐振场增强提高灵敏度，检测分析物浓度或组成的微小变化。替代方法是蚀刻通过波导芯层的槽或通道，创建流体传感通道，其中待分析材料直接改变光传播特性。

图16：光流体传感器配置，显示(a)倏逝传感几何的横截面示意图；(b)光学模式与传感窗口的相互作用；(c)与总线耦合环谐振器结构的集成。

使用氮化硅双波导捕获配置的拉曼光谱实现同时实现了粒子固定和光谱分析。785纳米激光通过光学力同时捕获粒子并产生拉曼散射用于分子指纹识别。从刻面波导发射到蚀刻流体通道的反向传播光束创建光学陷阱，散射光通过相同的波导结构收集。这种集成方法将复杂的分析能力从实验室环境带到便携式芯片上实验室格式。

图17：集成拉曼光谱系统，显示(a)梯形盒波导横截面；(b)扫描电镜图像；(c)光学模式轮廓；(d)捕获几何的显微镜图像；(e)形成流体通道的蚀刻间隙区域。

用于荧光显微镜和超分辨率成像应用的可见光波长组合使用氮化硅光子线路将多条激光线集成到单模光纤输出中。这些集成激光束组合器用芯片级波长选择组件替代体光学实现，包括总线耦合谐振器、马赫-曾德尔干涉仪和阵列波导光栅。需要四到八条跨越405到638纳米的激光线的典型显微应用受益于氮化硅平台提供的紧凑集成和稳定对准。

图18：集成激光束组合器系统照片，显示具有多个可见波长激光二极管输入和耦合光学元件的氮化硅芯片，位于紧凑的10×10厘米占用空间内。

氮化硅光子技术继续扩展到新的应用领域，利用超低损耗、宽透明度和CMOS兼容制造的独特组合。用于惯性导航的集成光学陀螺仪利用在单个芯片上延伸数十米的低损耗波导线圈，实现了以前需要光纤实现的旋转灵敏度。光量子通信和计算应用利用氮化硅波导产生、操纵和检测光的量子态，低损耗平台使得能够实现具有众多组件的复杂量子线路。

天文仪器受益于氮化硅阵列波导光栅光谱仪，在适合天基望远镜的紧凑格式中提供高光谱分辨率。激光探测和测距（LIDAR）系统采用氮化硅纳米光子相控阵在红外和可见波长进行光束转向，实现无机械组件的固态扫描。异质集成方法的持续发展有望将氮化硅低损耗无源元件与高速硅调制器和高效III-V光源相结合，创建利用各平台优势的完整光子系统。

商业代工厂工艺与综合工艺设计套件的成熟加速了从实验室演示到部署系统的转变。现在多家供应商提供多项目晶圆服务，为原型制作和小批量生产提供氮化硅技术的访问。这种代工厂可用性，结合平台在损耗、透明度和功率处理方面的固有优势，使氮化硅光子技术成为下一代集成光学系统的基础技术，应用范围涵盖电信、传感、计量和新兴光量子应用。用于增强非线性相互作用的更厚芯层工艺、改进的有源元件集成以及先进封装解决方案的持续开发继续扩展这一多功能光子平台的能力和应用空间。

参考文献