氘实现芯片波导红外脉冲生成宽带光

新加坡科技设计大学（SUTD）Dawn Tan副教授、新加坡科技研究局微电子研究院硅光子学部负责人Luo Xianshu博士带领新加坡研究团队，研发出一种低损耗氮化硅波导，能够在芯片上生成宽带光。该团队用重同位素氘替换氢，在8英寸晶圆上通过低温工艺制备低损耗氮化硅波导，证明该器件具备大规模制造潜力，还可以和CMOS兼容半导体工艺实现集成。

激光器的优势在于单色性好，只输出单一波长的光。但很多高端技术需要光束能够同时覆盖极宽的光谱范围。这种所谓超连续谱光，是高分辨率医学成像、精密测量以及保障光钟无偏差运行的光频梳的技术基础。

现有的超连续谱光源大多基于特种光纤制造，但光纤方案体积庞大、功耗高，很难缩小集成到芯片上。氮化硅是与芯片工艺兼容性最好的材料，可想要让氮化硅具备足够高的透光性，需要极其严苛的制备条件，薄膜容易开裂，标准半导体工厂也无法适配该工艺。

论文第一作者、博士生Yao Wang表示：“当前的核心短板，就是缺少小型、低功耗、可集成的光源。光纤系统虽然已经成熟，但体积大，很难集成到芯片当中。”

氘解决高温工艺难题

传统氮化硅的问题根源来自氢元素。薄膜一般由硅烷气体沉积生成，会残留硅‑氢键；这类化学键恰好会吸收通信系统工作波段的光。若要消除这些化学键，需要在最高1200摄氏度下退火数小时。这个温度会损毁带有电路的芯片，同时还会在厚膜内部产生巨大应力，造成损坏。

研究人员改用氘代硅烷，用重同位素氘替换普通硅烷里的氢原子。Tan解释道：“这种替换带来物理偏移，吸收峰从通信波段转移到2.1微米附近。工作波段不再产生光吸收，因此不再需要高温退火工序。”

最终制备流程十分简便：在整片8英寸晶圆上，一步沉积800纳米厚薄膜，沉积温度低于400摄氏度，完全处于主流芯片产线的热预算限制内。成品波导的光损耗仅为0.54分贝每厘米。5.21厘米长的器件就可以产生光谱展宽所需的强光学相互作用。

Luo表示：“最大的挑战，是把光子学设计转化成可以在晶圆规模下实现预期光学性能的工艺。SUTD的非线性光子学专长，结合A*STAR IME的工艺开发与制造能力，让我们向着规模化制造迈出重要一步。”

从红外脉冲输出可见光红光

研究人员向波导射入500飞秒红外脉冲，原本1555纳米的窄线光谱被展宽为587‑1883纳米的连续谱，覆盖1.7个倍频程。也就是说，光谱一端光的振荡频率，是另一端的三倍以上。输入的光属于不可见的红外光，但芯片输出端可以观测到红色可见光。

Tan称：“这证明器件确实可以把输入红外光转换成覆盖可见光波段的宽光谱。”

光谱带宽只是指标之一。用于计量与光频梳的光源，还要求脉冲之间具备良好相干性、稳定性与可复现性。在中等脉冲能量条件下，团队测得整体光谱相干度高于0.81，脉冲‑脉冲之间稳定性表现良好。

相干性下降的问题

但在脉冲能量拉到最高时会出现权衡效应：光谱变得更宽，但受调制不稳定性效应干扰，噪声也随之升高，扰乱光信号。仿真给出可行的改善思路：光在波导内传播的最初约1厘米可以保持高相干；噪声后续才会显现。优化波导长度，就可以在相干性劣化前，获取干净、稳定的宽光谱输出。

优化波导长度是团队接下来首要研究方向；同时还会设计新型波导，在高功率条件下兼顾光谱平坦度与带宽。长远目标是完整集成：把这类光源和调制器、探测器等器件集成到单颗芯片，推动超连续谱光源实现量产，用于医学成像、精密计量、光通信领域。