5G時(shí)代 氮化硅集成光子芯片前景可期

文／馮吉軍

在當(dāng)今的5G大數(shù)據(jù)時(shí)代，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量每年以超過(guò)50%的速度增長(zhǎng)，這極大地加速了對(duì)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸速度的需求。目前，為了滿(mǎn)足通信網(wǎng)絡(luò)所需的數(shù)據(jù)容量及帶寬需求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商正在加快建造擁有超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的超大型數(shù)據(jù)中心。

隨著數(shù)據(jù)中心中集群交換機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)速率的增加，現(xiàn)有的電子數(shù)據(jù)切換系統(tǒng)面臨功耗和延遲等各方面挑戰(zhàn)，因此光交換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)日益凸顯。

高速光開(kāi)關(guān)芯片和信號(hào)處理模塊是光交換系統(tǒng)中最基本和最核心的部件，其重要性等同于電子設(shè)備中的處理器。未來(lái)全光交換要滿(mǎn)足高速大容量和低時(shí)延交換的要求，大端口和快速切換的光開(kāi)關(guān)以及濾波等芯片必不可少。光子集成技術(shù)能夠大幅度減小系統(tǒng)體積、降低耗能和節(jié)約成本，因此全光交換網(wǎng)絡(luò)中使用的大規(guī)模光開(kāi)關(guān)與任意波形濾波器非常適合采用光子集成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

氮化硅這一硅基材料具有從可見(jiàn)光到中紅外光的寬透射譜，其與包覆層的折射率相差約0.5，比絕緣體上硅折射率差值小，使得波導(dǎo)尺寸在微米量級(jí)，相對(duì)降低了加工難度；同時(shí)又比高折射率玻璃平面光波導(dǎo)折射率差值大，使得器件尺寸相對(duì)較小。適中的折射率與器件尺寸也使得氮化硅波導(dǎo)成為十分具有前景的材料。

氮化硅材料也易于實(shí)現(xiàn)三維集成結(jié)構(gòu)，在提供芯片集成度的同時(shí)可降低制備成本。基于此，我們實(shí)現(xiàn)了系列三維氮化硅波導(dǎo)芯片，如偏振分束器、高品質(zhì)因子微環(huán)、微盤(pán)器件及其在通信濾波、生物檢測(cè)等方面的應(yīng)用。

此外，我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研制了三維自耦合微環(huán)諧振器，充分利用三維氮化硅材料平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)分層制備諧振微腔與信號(hào)傳輸波導(dǎo)的特點(diǎn)，在微腔中同時(shí)激發(fā)順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ闹C振光波，形成類(lèi)Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)，可完成不同出射波形的多自由度設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)主動(dòng)有效調(diào)控，在波分復(fù)用信號(hào)檢出等方向應(yīng)用廣泛。

但對(duì)氮化硅波導(dǎo)，存在著很強(qiáng)的偏振依賴(lài)特性，限制其進(jìn)一步的應(yīng)用。我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)基于厚膜氮化硅材料設(shè)計(jì)、制造并表征了偏振無(wú)關(guān)的4×4矩陣光開(kāi)關(guān)。首先設(shè)計(jì)了基于厚膜氮化硅的偏振無(wú)關(guān)3dB定向耦合器和完全交叉耦合器，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基于馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)的矩陣光開(kāi)關(guān)，偏振相關(guān)損耗僅為0.65dB，可實(shí)現(xiàn)高集成度的數(shù)據(jù)交換，在數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用前景。

利用氮化硅材料的適中折射率，也可與功能材料平臺(tái)進(jìn)行異質(zhì)集成，如與多孔金材料進(jìn)行集成，可通過(guò)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)激發(fā)，靈敏度較空間激發(fā)方式可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可在生物靈敏檢測(cè)方面實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

相關(guān)氮化硅集成光子芯片，可以廣泛應(yīng)用在光通信、傳感等領(lǐng)域，對(duì)促進(jìn)我國(guó)通信技術(shù)以及光子技術(shù)的發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。