新加坡团队开发氘代氮化硅波导 实现晶圆级宽带光生成

新加坡科技设计大学和新加坡科技研究局微电子研究院的研究团队近日开发出一种低损耗氘代氮化硅波导，可在芯片上实现宽带光生成。该成果通过以氢的重同位素氘取代氢，在低温条件下制造氮化硅波导，显示出与CMOS兼容半导体工艺集成及晶圆级规模化生产的潜力。

相关论文《在晶圆级低损耗氘代氮化硅波导中产生跨倍频程超连续谱》已发表在《光学快报》上。研究显示，这种芯片级波导能够将红外激光脉冲展宽至覆盖可见红光到深红外的光谱范围。

传统氮化硅薄膜通常由硅烷气体生长，材料中残留的硅氢键会吸收电信波段光。为降低吸收，常规工艺需要在高达1200摄氏度条件下长时间退火，但这类高温处理不适用于已集成电子线路的芯片，也容易在厚膜中引入较大应力。

研究团队改用氘代硅烷替代普通硅烷，使氢原子由更重的氘同位素取代。新加坡科技设计大学副教授Dawn Tan表示，这一替换使吸收峰从通信波段转移至2.1微米区域，因此工作波长处的光不再被明显吸收，也就无需高温烘烤工艺。

据介绍，该工艺可在低于400摄氏度条件下，以单步方式在整片8英寸晶圆上沉积800纳米厚薄膜，符合标准半导体生产线的热预算要求。制备出的波导光损耗为每厘米0.54分贝，可支持高强度光学相互作用。研究中展示的器件包括长度5.21厘米的波导，以及长度1.51厘米、采用螺旋布局、弯曲半径100微米的氘代氮化硅波导。

在实验中，研究人员向波导输入500飞秒红外脉冲后，光谱由1555纳米处的窄线展宽为587纳米至1883纳米的连续谱，跨度达到1.7个倍频程。虽然输入光为不可见红外光，但芯片可发出可见红光。Tan表示，这证明该装置能够有效将红外输入转换为足够宽的光谱，并延伸至可见光范围。

对于精密计量和频率梳等应用，光谱宽度之外，相干性和脉冲间稳定性同样重要。研究团队在中等脉冲能量条件下测得整体光谱相干性高于0.81，显示出较好的脉冲间稳定性。不过，在更高能量条件下，光谱进一步展宽的同时噪声也会增加，原因与调制不稳定性效应有关。模拟结果显示，可通过优化波导长度，在相干性明显下降前捕获稳定宽光谱。

新加坡科技研究局微电子研究院硅光子学部门负责人罗贤树表示，关键挑战在于将光子学设计转化为可在晶圆级实现目标光学性能的工艺。研究团队表示，下一步将优化波导设计，以提升高功率下的光谱均匀性和宽光谱范围，并探索将光源与调制器、探测器等器件集成到单一芯片上，面向医学成像、精密计量和光通信等应用场景。