突破孤子微梳部署瓶頸！瑞士EPFL團隊實現(xiàn)無銅光子集成電路確定性孤子產(chǎn)生

    近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究團隊在氮化硅光子集成電路領(lǐng)域取得重大突破，成功定位并解決了阻礙確定性孤子微梳實用化的核心問題，相關(guān)成果為光通信、激光雷達、量子計算等多個領(lǐng)域的技術(shù)革新鋪平了道路。

圖1：硅晶圓中的銅深度分布曲線

    氮化硅光子集成電路是當(dāng)前微梳技術(shù)的主流平臺，其支持的片上光學(xué)頻率梳（微梳）具有寬帶寬、緊湊化、兼容晶圓級制造等優(yōu)勢，已在光通信、低噪聲微波產(chǎn)生、并行卷積處理等場景完成系統(tǒng)級演示。然而，熱不穩(wěn)定性導(dǎo)致的確定性孤子產(chǎn)生難題，長期限制了該技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H部署。此前學(xué)界開發(fā)的脈沖泵浦、快速掃描等解決方案，均未從根本上消除熱效應(yīng)，還額外增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。

    研究團隊通過深入探究發(fā)現(xiàn)，熱效應(yīng)的根源在于氮化硅波導(dǎo)中存在的銅雜質(zhì)。這些雜質(zhì)來自 CMOS 級硅晶圓本體，在制造過程的高溫退火步驟中，會從硅晶圓擴散并被氮化硅層捕獲。實驗數(shù)據(jù)顯示，銅雜質(zhì)濃度越高，器件的熱吸收損耗越大，孤子可存在范圍越窄 —— 當(dāng)銅濃度達到約 1380 ppba 時，孤子階躍長度會縮減 38 倍，無法通過常規(guī)調(diào)諧方式獲得穩(wěn)定孤子狀態(tài)。

    針對這一問題，團隊開發(fā)了兩種高效銅去除技術(shù)：一是采用犧牲性氮化硅吸除層，在高溫退火中捕獲銅雜質(zhì)后剝離去除；二是集成氮化硅擴散屏障，阻止銅雜質(zhì)向波導(dǎo)芯層擴散。兩種方法均與商業(yè)代工廠工藝完全兼容，可直接融入標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程。經(jīng)二次離子質(zhì)譜分析驗證，處理后的氮化硅波導(dǎo)銅濃度低于檢測極限，傳輸損耗顯著降低，熱吸收效應(yīng)大幅減弱。

    基于無銅光子集成電路，團隊實現(xiàn)了里程碑式的突破：在 40、50、100、200 GHz等多種自由光譜范圍的微諧振器中，均達成 100% 的孤子產(chǎn)生產(chǎn)率。無需復(fù)雜的輔助激光、主動反饋或脈沖泵浦技術(shù)，僅通過簡單壓電調(diào)諧或慢速激光掃描，就能穩(wěn)定獲取單孤子狀態(tài)，反向調(diào)諧還可實現(xiàn)孤子數(shù)量的確定性切換。這一成果大幅簡化了孤子微梳的產(chǎn)生裝置，降低了技術(shù)應(yīng)用門檻。

    該研究不僅解決了困擾微梳技術(shù)多年的實用化瓶頸，更為集成光子學(xué)領(lǐng)域的低損耗器件研發(fā)提供了新方向。未來，無銅氮化硅光子集成電路將推動微梳技術(shù)在光通信、傳感、量子計算等領(lǐng)域的規(guī)?；渴?，助力相關(guān)行業(yè)實現(xiàn)性能升級與成本優(yōu)化。研究團隊表示，相關(guān)技術(shù)已具備工業(yè)化應(yīng)用條件，有望快速轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力。

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    Deeplight SA是一家瑞士初創(chuàng)公司，成立于2021年6月，專注于開發(fā)具有超低噪聲和高頻靈活性的光子集成電路（PICs）。他們的主要產(chǎn)品是一款連續(xù)波激光器，適用于多種應(yīng)用，包括科學(xué)研究、工業(yè)用途和消費市場。該公司總部位于瑞士洛桑，因其在光子學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新性貢獻而獲得認(rèn)可。

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    富泰科技（香港）有限公司成立于2005年，公司扎根中國，職能部門分布香港，武漢，深圳，蘇州，成都，新加坡等地。公司聚焦于激光、光學(xué)技術(shù)在光纖通信、氣體傳感、生命科學(xué)、超快激光和精密光譜等領(lǐng)域的應(yīng)用，服務(wù)客戶包括光纖模塊制造商，通信系統(tǒng)設(shè)備制造商、互聯(lián)網(wǎng)公司及工業(yè)企業(yè)和大學(xué)。