氮化硅在硅基光电子中的应用

引言

氮化硅光电子技术在集成光电子平台中占据了特殊的位置，主要源于其在极宽波长范围内的卓越光学透明性。这个透明窗口从可见光谱的约400纳米一直延伸到近红外，并进入2350纳米以上的中红外区域。如此宽广的透明窗口超越了硅或磷化铟平台所能实现的范围，为那些使用其他材料无法实现的应用创造了可能性。

该平台与标准CMOS制造工艺的兼容性是另一个显著优势。氮化硅长期以来一直用于半导体制造，例如用于硅的局部氧化（LOCOS）以及作为离子敏感场效应晶体管的栅极材料。半导体行业对这种材料的熟悉程度促进了向晶圆级光子制造的过渡，可以利用现有的基础设施和工艺。

最值得注意的是，氮化硅波导可以被设计成实现极低的传播损耗，根据设计要求的不同，损耗范围从0.3分贝/米到1.0分贝/厘米不等。这样的损耗水平使得制造超高品质因子的谐振器和长延迟线成为可能，而这些在其他平台上是不切实际的。波导还表现出优异的功率处理能力，不会遭受困扰硅波导的非线性损耗，例如在较高功率水平下的双光子吸收。

图1：弯曲半径、传播损耗和波长工作范围之间的关系，对比了氮化硅与SOI和InP波导的性能，说明氮化硅如何在最宽的波长透明窗口内以中等弯曲半径提供超低损耗。

氮化硅光电子技术的故事始于20世纪70年代末，当时研究人员首次研究了能够引导632纳米光的薄膜平板波导。这些早期结构采用氮化硅芯层，在硅衬底上通过热氧化形成二氧化硅下包层。建立的制造方法一直延续至今：热生长的下包层由于与硅衬底的固有平滑界面而提供了优异的光学质量，随后通过化学气相沉积形成氮化硅芯层，再通过光刻和蚀刻进行图案化。

在整个20世纪80年代，研究人员系统地通过解决各种损耗机制来降低波导损耗。Henry及其同事在1987年在电信波段实现了低于0.3分贝/厘米的损耗，确定了氢基吸收峰是光损耗的重要来源。开发了热退火技术来驱除这些吸收杂质，高温处理使沉积的薄膜致密化，减少了沉积过程中形成的材料团簇造成的光散射。

20世纪90年代见证了首个氮化硅光电子集成芯片的演示，从1993年的高灵敏度免疫传感器开始。该器件通过创建蚀刻的传感窗口展示了平台的潜力，在该窗口中，暴露芯层中的光学模式可以与生物测试材料相互作用。诸如氮氧化硅等相关材料的发展进一步推进了制造能力和氮化物材料家族的器件设计原理。

2009年美国国防高级研究计划局建立的iPHOD计划开启了一个变革时期，该计划设定了一个雄心勃勃的目标：在25米长度上将片上波导传播损耗降低到0.01分贝/米。这代表着比之前取得的结果改进了几个数量级。加州大学圣巴巴拉分校与LioniX之间的合作在20米长的螺旋延迟线中实现了创纪录的0.045分贝/米损耗（1580纳米波长）。这些超低损耗波导采用了仅40纳米厚的高纵横比氮化硅芯层，并通过精心设计的上包层来最小化吸收和散射损耗。

氮化硅波导设计涉及在由芯层厚度、波导宽度和弯曲半径定义的丰富参数空间中进行导航。这些参数决定了基本的性能特征，包括传播损耗、可实现的最小弯曲半径以及谐振结构的自由光谱范围。设计灵活性允许工程师针对特定应用需求优化波导，无论是优先考虑紧凑的占地面积、最小损耗还是高功率处理能力。

图2：三种主要的氮化硅波导几何形状：单条波导、多层双条结构以及埋入式波导，每种都具有独特的横截面轮廓和扫描电子显微镜图像，显示了制造出的结构。

三种主要波导类型已经针对不同应用而发展。单条波导提供最简单的几何形状和中等的光学限制。双条配置，包括对称和非对称变体，通过堆叠由薄氧化物中间层分隔的多个氮化硅层来实现更大的芯层厚度。这种多层方法克服了在厚单层薄膜中会导致开裂的应力限制。埋入式波导设计实现了更大的芯层厚度，可达几微米，使得能够实现紧密的光学限制，适用于紧凑器件和增强的非线性光学相互作用。

芯层厚度与器件性能之间的关系遵循可预测的模式，指导设计选择。厚度约为40到100纳米的薄芯层产生弱限制的光学模式，具有大的模场面积，导致极低的损耗，约为0.3到1分贝/米。这些设计需要较大的弯曲半径，通常为几毫米到一厘米，但在需要长延迟线、超高品质因子谐振器或无非线性效应的高光功率处理的应用中表现出色。200到300纳米的中等芯层厚度提供平衡的性能，损耗约为1到3分贝/米，弯曲半径为几毫米。超过600纳米的厚芯层能够实现非常紧凑的设计，弯曲半径小于100微米，但损耗较高，为10到20分贝/米，使其适合非线性光学应用，在这些应用中，增强的光强度超过了增加的传播损耗。

图3：氮化硅波导的设计权衡，显示了芯层厚度如何影响品质因子、自由光谱范围、弯曲半径和损耗特性，并给出了不同厚度下环形谐振器性能的具体示例。

氮化硅平台能够通过多种方法在芯片上实现高性能激光器，利用材料的宽透明窗口和低损耗特性。外腔激光器设计将半导体光放大器增益块与氮化硅谐振器结构相结合，以创建窄线宽可调谐光源。一个特别成功的实现使用磷化铟增益部分耦合到作为外部镜的高品质氮化硅微环谐振器。这种混合方法已经展示了低于300赫兹的基本线宽和宽调谐范围，在紧凑的集成形式中提供了与基于光纤的外腔激光器相当的性能。

与氮化硅波导集成的稀土掺杂增益介质提供了另一种方法，消除了对III-V半导体混合集成的需求。沉积在氮化硅波导上的掺铒铝氧化物层创建了分布式布拉格反射器和分布反馈激光结构，积分线宽约为3千赫兹。这些器件表现出优异的温度稳定性，在高达400摄氏度的温度下保持性能，降解很小，这一特性继承自掺铒光纤激光技术。制造工艺非常简单，仅需要一个光刻和蚀刻步骤，通过侧壁波纹直接在氮化物芯层中定义布拉格镜。

图4：InP-Si₃N₄混合外腔激光器架构，显示了包括基于InP的半导体光放大器连接到氮化硅平台中实现的可调谐镜的主要组件，以及组装器件。

图5：氮化硅波导上的掺铒铝氧化物激光结构，包括侧壁蚀刻的分布式布拉格反射器和分布反馈设计的扫描电子显微镜图像，以及单片波分复用激光阵列及其光谱输出，显示了在宽波长范围内的发射。

氮化硅波导的超低损耗特性使得能够实现复杂的光学滤波功能，这些功能在高损耗平台上是不切实际的。耦合谐振器光波导结构展示了这种能力，光通过弱耦合的高品质因子光学腔链传播。由三个耦合环制造的三阶滤波器实现了超过80分贝的消光比，插入损耗低于1.3分贝，并具有平坦的通带特性。可以使用集成的热调谐元件在整个自由光谱范围内调谐中心频率，使这些滤波器适用于非线性光学实验中的泵浦-信号分离、射频光电子学中的接收机信道化以及电信系统中的波长选择功能。

更复杂的可编程滤波网络利用具有热相位调谐的互连马赫-曾德尔干涉仪阵列来实现任意的滤波器传递函数。由21个级联的非对称马赫-曾德尔干涉仪组成的十阶格型滤波器展示了这种可编程性，在100吉赫兹网格上为波分复用信道实现了从负500到正500皮秒/纳米的可调色散补偿。离散时域结构使滤波器在频率上具有周期性，允许单个器件同时对多个信道进行色散补偿。这种可编程性在占地面积和灵活性方面都比色散光纤解决方案具有显著优势。

图6：超高消光比的三阶耦合谐振器光波导滤波器，显示了包含三个耦合环和热调谐元件、展示80分贝消光比的测量传输、在整个自由光谱范围内的调谐曲线以及制造器件。

氮化硅微谐振器通过基于克尔非线性的过程在片上频率梳生成方面取得了突破性进展。这些器件生成跨越极宽带宽的多个等间隔光学频率，为通信、光谱学和计量学中的应用提供了替代大型单独激光阵列的方案。氮化硅在电信和可见光波长范围内不存在双光子吸收，使得能够实现高效的四波混频过程，而不会出现限制基于硅的方法的竞争性非线性损耗机制。

耗散克尔孤子微谐振器代表了一类特别重要的梳生成器，平衡参量增益、腔损耗和色散以维持连续循环的光脉冲。这些脉冲生成具有优异均匀性和相干性的频率梳。使用240微米半径氮化硅环形谐振器的演示已经实现了超过6太赫兹的3分贝带宽，覆盖了整个电信C波段和L波段。这种宽带光源已经实现了以数十太比特每秒运行的并行波分复用相干光纤通信链路，展示了集成梳生成对高容量光网络的实用价值。

图7：克尔频率梳生成的原理和性能，包括使用级联四波混频的基于谐振器方法、显示稳定均匀输出的实验梳光谱，具有6太赫兹带宽覆盖C波段和L波段，以及结合氮化硅梳生成器与硅基光电子多通道波分复用调制器的太比特每秒发射机。

氮化硅在可见光和近红外波长范围内的透明性使其特别适合光谱传感和生物光子应用。便携式光谱系统需要在单个芯片上集成光源、样品传感器和波长选择检测元件。在氮化硅中制造的阵列波导光栅光谱仪覆盖400到1700纳米范围，使用三种针对可见光、近红外和中红外波段优化的独立设计。这些集成光谱仪通过分析生物样品的吸收、发射或散射特征来实现组织传感和其他生物医学应用。

光流控传感架构将氮化硅波导与微流控通道相结合，使引导光与分析物材料之间能够直接相互作用。倏逝场传感方法去除上波导包层以将光学模式暴露于环境，允许检测折射率变化或特定的分子结合事件。将这些传感窗口集成到高品质因子环形谐振器中，通过在谐振器内多次循环光来增加有效相互作用长度，从而增强灵敏度。另一种槽波导设计直接通过波导芯层蚀刻窄沟槽，将光场集中在流体通道内，以实现更强的光-物质相互作用。

图8：光流控传感器配置，包括显示光通过平面波导传播的横截面、倏逝场与被流体通道覆盖的传感窗口的相互作用，以及将传感窗口集成到总线耦合环形谐振器结构中以增强灵敏度。

氮化硅光子技术继续扩展到利用其超低损耗、宽透明性和CMOS兼容性独特组合的新应用领域。集成光学陀螺仪代表了一个特别有潜力的方向，在芯片上制造极长、低损耗波导线圈的能力使得在更小的封装中实现接近光纤陀螺仪性能的旋转传感成为可能。已经在单个芯片上演示了超过25米的延迟线，提供了灵敏旋转检测所需的长有效路径长度。

光量子技术应用利用氮化硅的低损耗和与可见波长的兼容性来创建量子通信和计算的光源和线路。该平台支持通过非线性过程生成纠缠光子对，并能够构建具有多个干涉元件和低损耗互连的复杂量子线路。宽广的透明窗口允许在针对量子发射器、单光子探测器和自由空间传输优化的波长下工作。

展望未来，氮化硅光子技术从研究实验室成功过渡到具有既定工艺设计套件的商业代工厂，标志着该平台成熟度的一个重要里程碑。目前多个代工厂提供多项目晶圆服务，使更广泛的群体能够接触到这项技术，并加速应用开发。正在进行的研究继续通过制造工艺的创新、结合线性和非线性功能的新型器件设计，以及与互补技术（如低能量调谐机制和高速调制器）的集成来推动性能边界。

从可见光到中红外波长跨越超低光学损耗、与晶圆级制造的兼容性、高光功率处理能力和设计灵活性的组合，使氮化硅成为硅和III-V光子平台的重要补充。随着应用继续要求更大的带宽、更低的功耗和增强的功能性，氮化硅光电子集成芯片将在电信、传感、信号处理和新兴光量子技术的下一代光学系统中发挥越来越核心的作用。

参考文献