集成光學是用光子集成電路實現(xiàn)光信號合成、處理和探測的技術，因此也被稱為“光芯片”技術。在過去20年里，集成光學技術已實現(xiàn)從“實驗室演示”到“工業(yè)級量產(chǎn)”的跨越，并成功應用在高速高容量光通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心。目前，用硅和磷化銦（InP）異質集成方式實現(xiàn)的電泵浦半導體激光器芯片已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，并廣泛應用于光互連數(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隊與杭州芯傲光電有限公司合作，實現(xiàn)了超低損耗氮化硅集成光學技術從“實驗室演示”到“工業(yè)級大規(guī)模量產(chǎn)”的轉化。聯(lián)合團隊首次在國內(nèi)建立超低損耗、大尺寸晶圓、厚氮化硅光芯片工藝，且多項指標和綜合性能達到國際最好水平。近日，相關研究在《光子學研究》上發(fā)表。

6寸晶圓上實拍的氮化硅集成光路

“光賽道”的挑戰(zhàn)

集成光學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，實現(xiàn)超低損耗集成光波導是該領域最基本、最核心的挑戰(zhàn)之一。

氮化硅材料的引入，為人們提供了一個解決方案。氮化硅不僅具有多項優(yōu)異的光學特性，而且氮化硅片上集成光波導的加工也能完美兼容當下標準的CMOS硅芯片制造工藝。目前，世界上僅少數(shù)幾個實驗室實現(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來構建高品質因子光學微腔和復雜線性網(wǎng)絡，人們實現(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，但其光損耗離學術界報道的最好指標仍有顯著差距。

“事實上，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)理兼首席技術官葉志超博士告訴《中國科學報》，“比如高質量氮化硅薄膜沉積厚度超過400 納米時，極易產(chǎn)生裂紋。如何在大尺寸晶圓工業(yè)產(chǎn)線上實現(xiàn)超低損耗的厚氮化硅薄膜，同時保證無裂縫和高良率（超過97%），是當下迫切需要解決的問題。”

解決“卡脖子”問題

為解決這些問題，杭州芯傲光電有限公司開發(fā)了一套基于6英寸晶圓的CMOS減法芯片工藝，結合先進的深紫外步進光刻技術，以及氮化硅材料生長、刻蝕、退火、鈍化等技術，成功制備出厚度超過810 納米、光損耗低于0.026 dB每厘米的氮化硅光芯片。

深圳國際量子研究院團隊對這些光芯片的損耗、色散、耦合強度、均勻性等光學性質進行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)這些氮化硅光芯片的綜合性能已到達國際最高水平。基于環(huán)形微腔的實驗表征證明，該工藝具有接近100%的良率。這保障了超低損耗氮化硅光芯片技術真正實現(xiàn)落地應用。

利用這些芯片，深圳國際量子研究院的研究人員實現(xiàn)了氮化硅芯片集成的孤子光頻率梳，其光譜范圍覆蓋整個光通信的C波段，且重復頻率在微波K波段。

“這種芯片集成光頻率梳器件可以直接用于光微波生成、高容量相干光通信和天文光譜儀校準等前沿領域。這些應用國外已有相關報道，國內(nèi)相關研究也在積極開展。”杭州芯傲光電有限公司副總經(jīng)理黃張君博士說。

目前，國際上僅美國、瑞士和瑞典擁有超低損耗氮化硅光芯片生產(chǎn)技術，并已形成技術壁壘，我國很多高校和科研單位使用的相關技術和產(chǎn)品均依賴進口。因此，該工作是打破西方技術壁壘、建立全流程光芯片加工技術的重要突破。相關技術對發(fā)展未來片上光器件、光通信、激光雷達、神經(jīng)網(wǎng)絡、量子信息處理、傳感和精密測量將起到重要作用。

“這項工作的亮點是實現(xiàn)了自主研發(fā)、自主可控、特色和應用面鮮明的光芯片技術，且多項工藝和技術指標世界領先。”葉志超說，“在當前的國際環(huán)境下，科技自立自強尤為必要。我們的工作解決該領域一個‘卡脖子’問題。”

為支持國產(chǎn)期刊，研究團隊將論文投給中國激光雜志社創(chuàng)辦的國際光學期刊《光子學研究》。論文審稿專家評論說：“這篇論文相當完整和扎實。”“這將為基于微腔光頻梳的研究提供大量機會。”另一位審稿人認為，這篇論文“結果令人印象深刻，這項工作是氮化硅光子集成技術線路走向成熟的重要一步”。

目前，該團隊部分芯片已交付國內(nèi)外相關研究單位開展合作研究。

真正的“跨越”

芯片尺寸的微縮和硅片直徑的增大，一直是集成電路工藝領域追求的目標。在集成光學領域，考慮到光的衍射極限，目前90納米甚至180納米制程完全可以滿足需求。因此人們關注的重點是器件整體性能，如損耗和色散調控，以及大規(guī)模制造的產(chǎn)量和良率等因素。

“對集成光學而言，這項工作的重點不是制程的提升。”劉駿秋解釋說，“我們實現(xiàn)的‘跨越’主要是，以前的工作大都基于小尺寸晶圓、利用電子束曝光來制備。這是首次在芯片制備流程中，把很多核心步驟換成了工業(yè)生產(chǎn)線上的常用技術，包括使用大尺寸晶圓和深紫外步進式***等，并進行各步驟間的整合與協(xié)調，使工藝流程與工業(yè)線技術更兼容。真正實現(xiàn)了既保證超低損耗，又顯著提升芯片的產(chǎn)量和良率。”

目前，實驗室里實現(xiàn)厚氮化硅技術光損耗的最好指標是0.01 dB每厘米，該技術實現(xiàn)了0.02 dB每厘米（損耗數(shù)值越小越好）。盡管離國際最好指標仍略有差距，但由于用了6英寸大尺寸晶圓，每片晶圓上能制備的芯片數(shù)量反而得到極大提升。研究團隊表示，目前他們正積極優(yōu)化工藝，未來有望實現(xiàn)0.007 dB每厘米的損耗。

在實際生產(chǎn)中，“良率”是工業(yè)界高度關注的指標，因為若一項技術的良率低，則嚴重影響其實際量產(chǎn)和應用價值。而作學術研究時，人們通常不關心該指標，發(fā)表文章也不需要討論“良率”問題，甚至有人刻意避免討論該問題。對于以發(fā)論文為目的的研究來說，100個樣品里能做成一個，就能發(fā)表文章了。

“但技術落地必須考慮良率。”劉駿秋認為，工業(yè)生產(chǎn)線上出來的產(chǎn)品，就應該良率高，芯片加工制造尤其如此。比如，臺積電把一個技術推向生產(chǎn)線，前提條件就是良率超過97%。因此在該項研究中，研究團隊首次將“良率”作為重要指標進行表征和分析，結果發(fā)現(xiàn)其實現(xiàn)了良率接近100%。

“這些指標既是技術的‘跨越’，也是領域的‘跨越’。”劉駿秋補充說，“我們實際上把兩個領域——學術界和工業(yè)界——連接起來了。現(xiàn)在大家可以在同一個話語體系里談一件事情，并形成基本共識。”（來源：中國科學報 張雙虎）

審核編輯 ：李倩