可见光光电芯片（PIC）在量子信息、生物传感和扫描显示等应用领域具有巨大潜力。然而，由于可见光谱中的传播损耗较高，将成熟的硅基光电子工艺平台扩展到更短的波长中具有挑战性。氮化硅（SiN）因其宽广的透明窗口、平滑的蚀刻、强光学约束和代工兼容性，已成为可见光集成光电子的主要工艺平台。然而，氮化硅的传播损耗在很大程度上取决于薄膜的沉积条件和制造工艺，因此很难确定损耗的主要来源并接近该平台的基本极限。
本文介绍 Optics Express二月最热门的文章，让大家对 Corato-Zanarella 等人开发的方法有全面的了解，以探测最小化氮化硅集成光电子工艺在可见光谱范围内的传播损耗。文章将深入探讨他们的创新方法，利用超高品质因数 （Q） 微谐振器来分辨和提取其损耗中的吸收和表面散射成分。此外，我们还将探讨他们的波导截面工程策略，以接近吸收限制损耗机制，最终在高稠度氮化硅平台中实现创纪录的低传播损耗。
传统的损耗测量技术，如椭偏仪、回切仪、外散射光和光热光谱仪，无法独立提取吸收和散射损耗，也无法为超低损耗薄膜提供足够的灵敏度。Corato-Zanarella 等人采用不同宽度和半径的超高 Q 值微孔谐振器，覆盖了从深蓝到近红外的波长，从而克服了这一限制。其方法的关键原理是，随着微谐振器宽度和半径的增加，与波导侧壁的模态重叠会减少，从而降低散射损耗并接近吸收极限。通过测量这些谐振器的 Q 因子，并使用一个考虑了吸收、侧壁散射和顶/底壁散射的模型来拟合传播损耗，他们可以独立提取吸收和散射损耗成分，其灵敏度前所未有。
图 1（b） 展示了这一概念，描绘了测量到的传播损耗和相应的内在品质因数与侧壁模态重叠的函数关系。斜率与表面散射强度有关，而截距则与材料吸收有关，从而能够区分这些损耗贡献。 图 1 探讨了波导横截面如何影响波长为 488 nm 的模式传播损耗。它表明，对于微谐振器，将宽度从 400 nm 增加到 4000 nm（半径分别为 30 µm 和 300 µm）会减少与侧壁的模态重叠，基本 TE 模式的场振幅可视化显示了这一点。此外，它还以最窄波导为参照，展示了测量到的传播损耗和内在品质因数随侧壁重叠度（η_sides）变化的情况。分析表明，这些变化的斜率与表面散射强度相对应，截距与材料的吸收特性相对应。利用基于微谐振器的表征策略，Corato-Zanarella 等人提取了氮化硅平台在整个可见光谱范围内的基本吸收和表面散射损耗极限。如图 2（a） 所示，他们证明了材料吸收遵循带波动模型，并得出了氮化硅薄膜的光带隙（Eg = 4.63 eV）和乌尔巴赫斜率（β = 5.07 eV^-1）。通过与侧壁的模态重叠归一化的表面散射损耗被发现遵循归一化版本的佩恩-莱西（NPL）模型，该模型也可以通过λ^-2.3 形式的幂律很好地拟合（图 4（b））。通过 NPL 拟合，他们提取了波导侧壁的均方根粗糙度（σ = 1.5 nm）和相关长度（Lc = 90 nm），这与直接测量结果一致。通过这些缩放规律，可以确定在所需波长上所需的波导截面，从而实现以吸收为主的损耗机制。图 2（c） 说明了增加波导宽度如何降低表面散射损耗，最终接近集成平台的基本吸收极限。图 2 显示了氮化硅平台（硅/氮=0.82）上吸收和表面散射的波长依赖性。（a） 使用椭偏仪检测吸收损耗系数，显示出精确的读数（不透明的紫点），直至薄膜灵敏度极限（橙色虚线，k ≈ 0.002），低于该极限薄膜损耗被低估（半透明的紫点）。带波动模型拟合显示光带隙 （Eg） 为 （4.63 ± 0.04） eV，乌巴赫斜率 （β）为 （5.07 ± 0.08） eV^-1。（b） 分析了按模态重叠归一化的侧壁散射损耗系数。用 NPL 模型拟合估计的均方根粗糙度 （RMS） （σ） 为 （1.5±0.2） nm，相关长度 （Lc） 为 （90±10） nm。幂律拟合 （λ^-γ） 确定 γ = （2.3 ± 0.6），阴影区域表示拟合的不确定性。利用推导出的损耗缩放定律，Corato-Zanarella 等人设计了波导截面，以最大限度地减少可见光谱中的传播损耗。如图 5（c）所示，他们为高稠度 SiN 平台演示了创纪录的低传播损耗，包括近红外（780 纳米）3.62 dB/m、红外（644 纳米）6.0 dB/m、绿光（532 纳米）0.20 dB/cm、蓝光（488 纳米）1.2 dB/cm 和深蓝（461 纳米）2.4 dB/cm。这些损耗对应的本征品质因数分别高达 2.07 × 10^7 （780 nm）、1.51 × 10^7 （644 nm）、5.7 × 10^6 （532 nm）、1.05 × 10^6 （488 nm） 和 5.6 × 10^5 （461 nm）。通过采用 4 μm 的宽微孔宽度，他们最大限度地降低了表面散射损耗，使传播损耗接近 SiN 薄膜的吸收极限（图 2（a））。
图 3 展示了从深可见光到近红外波段的超低损耗、高致密度微孔谐振器：
（a） 显示波长分别为 461 nm、488 nm、532 nm、644 nm 和 780 nm 的微谐振器共振情况，并以 50 µm 刻度条作为参考。
（b） 报告了宽度为 4 微米的微谐振器中基本 TE 模式的最高品质因数。环半径在 461 纳米时为 115 微米，在其他波长时为 300 微米，误差条代表每次共振数十次测量的平均值和标准偏差。
（c） 将传播损耗与其他最先进的高致密性平台进行比较，突出显示所研究的氮化硅平台显示出迄今最低的损耗，接近图 2（a）中灰色数据点和虚线所示的薄膜吸收极限。
可见光波长的测量技术
为了精确测量高 Q 值微谐振器在可见光谱中的超窄线宽，Corato-Zanarella 等人开发了一种结合微加热器调制和激光调谐的混合测量技术，如图 3 所示。他们用高速（10 kHz）、大振幅三角电压调制微加热器，同时逐步调整激光波长。这种方法将谐振扫描速度与波长调谐和测量速率解耦，从而能够提取出超窄线宽，并具有低至 2% 的高传输灵敏度。
混合测量技术克服了典型的亚千赫激光调制带宽和毫秒级波长计曝光时间的限制，消除了限制共振可见度和消光测量灵敏度的低频噪声。此外，他们的波长校准方法不需要几何或材料特性知识，因此适用于任何材料平台和光谱范围。Corato-Zanarella 等人的工作代表了探测和最小化集成光子平台传播损耗的重大进展，尤其是在具有挑战性的可见光谱中。他们利用超高 Q 值微谐振器的创新方法，以无与伦比的灵敏度辨别了吸收和表面散射损耗。通过推导这些损耗贡献的缩放规律并相应地设计波导截面，在整个可见光谱范围内的高稠度氮化硅平台中实现了创纪录的低传播损耗。这项工作中开发的技术对于实现大规模、高密度 PIC 和超窄线宽芯片级激光器非常重要，为量子信息、生物传感和扫描显示领域的各种应用开辟了新的方向。此外，测量策略和损耗表征方法适用于任何材料平台和光谱范围，使其成为推动整个电磁频谱集成光子学发展的宝贵工具。[1]Mateus Corato-Zanarella, Xingchen Ji, Aseema Mohanty, and Michal Lipson, "Absorption and scattering limits of silicon nitride integrated photonics in the visible spectrum," Opt. Express 32, 5718-5728 (2024)
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