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谢耀祖（硕士研究生）为第一作者，张彦峰副教授和余思远教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省珠江人才计划本土创新科研团队项目、广州市科技项目的大力支持。

01 导读

中山大学电子与信息工程学院、光电材料与技术国家重点实验室张彦峰、余思远课题组经过7年的艰苦努力，自主研发了独具特色的超低损耗氮化硅光子集成材料低温制备技术，建立了CMOS全兼容氮化硅光子集成平台，基于该平台实现了世界首例CMOS全兼容氮化硅微环相干孤子光频梳芯片。

该成果以“Soliton frequency comb generation in CMOS-compatible silicon nitride microresonators”为题，2022年4月27日在线发表于Photonics Research上。

02 研究背景

光学频率梳（简称光频梳）是指由大量均匀间隔且具有稳定相位关系的相干谱线组成的激光光源，在超快激光雷达、光学频率合成、大容量相干光通信和精密光谱学等应用方向上展现了巨大潜力。

氮化硅的超低光学损耗、超宽（近紫外—中红外）透明窗口使之成为研制各光波段的大规模集成光子线路（PIC）的重要平台，也是目前实现克尔光频梳芯片的主要平台。基于三阶非线性效应的克尔光频梳芯片具有宽光谱、低功耗、结构简单等优点，其先决条件是必须制备超低光学损耗的氮化硅材料并加工超低损耗的强限制光波导，以实现超高品质因子（Q值）的光学谐振腔，该器件因而成为衡量氮化硅光子集成平台技术水平的标志性器件。

迄今为止，已报道的器件都使用了制备温度达700-1000 ℃的氮化硅制备工艺，无法直接兼容硅基CMOS电子、硅光芯片和化合物半导体光电子器件工艺流程。

03 研究创新点

中山大学团队坚持自主研发的电感耦合等离子体化学气相沉积（inductance-coupled plasma chemical vapor deposition，ICP-CVD）氮化硅制备特色技术路线，经过7年不断优化，克服了其他等离子体沉积技术遇到的氮化硅材料光学损耗较高、密度较低等缺点，在与CMOS工艺完全兼容的270 ℃温度下，在硅晶圆上实现了单次沉积厚度超过850 nm的超低光学损耗、低应力氮化硅薄膜材料，成功研制了光传输损耗低于0.1 dB/cm的强限制氮化硅光波导，实现了本征Q值大于5百万的氮化硅微环光学谐振腔（图1）。利用在单个芯片上集成多个不同半径（100~480 μm）的高Q值微环谐振腔，成功产生了重复频率为50~240 GHz的低噪声相干单孤子光频梳（图2）。

图1 低温工艺制备的氮化硅光波导损耗总结，本成果在国际上率先突破0.1 dB/cm

图2 不同半径的氮化硅微环谐振腔产生的重复频率为50~240 GHz的孤子光频梳光谱

04 总结与展望

该成果在国际上首次验证了CMOS全兼容低温ICP-CVD制备的超低损耗氮化硅作为非线性光子集成平台的可行性，掌握了核心知识产权，为后续进一步在硅基光子和集成电路晶圆上研制与泵浦光源、控制电路等要素单片集成的光频梳芯片、以及面向激光雷达的光相控阵芯片和面向光计算、光信息处理、光子模拟的大规模氮化硅集成光路打开了大门。   

论文链接：http://www.researching.cn/EN/Article/OJ3a17c5c3e1284add