氮化硅光子器件與應用研究進展

范智斌，陳澤茗，周 鑫，何辛濤，江紹基，董建文*

（1.中山大學物理學院，廣東廣州 510275；2.中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，廣東廣州 510275）

1 引 言

氮化硅（Silicon Nitride）是由硅元素和氮元素構(gòu)成的無機化合物，其研制主要依靠人工條件合成。除了常見的普通氮化硅（Si3N4）外，根據(jù)不同的反應條件和純化方法，還能高溫合成一氮化二硅（Si2N）、三氮化二硅（Si2N3）等氮化程度不同的氮化硅。氮化硅是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在日常生活中也常見到氮化硅陶瓷，其在熱學、力學和化學等方面有著廣闊的發(fā)展前景。在熱學方面，氮化硅在空氣中的分解溫度為1800℃，且具有較高的強度和抗沖擊性，1200℃以上隨時間增加才會出現(xiàn)破損；其熱膨脹系數(shù)較小，約為（2.9～3.6）×10?6/℃，導熱系數(shù)高，從而耐熱沖擊性好，加熱到1000℃后投入冷水中也不會開裂[1-2]。在力學方面，氮化硅的摩擦系數(shù)小，具有自潤滑性[3]；其硬度高，耐磨損，莫氏硬度為9，僅次于金剛石、碳化硅等高硬度材料，具有抗機械沖擊特性[4]；脆性大，通過添加多壁碳納米管、Y2O3和Al2O3等燒結(jié)添加劑，利用添加劑顆粒的拉拔和彈性橋聯(lián)機制可增強氮化硅陶瓷的韌性[5-7]。在化學方面，氮化硅化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，除氫氟酸外不與其他無機酸反應，超過800 ℃會在表面生成氧化硅膜，隨著溫度升高氧化硅膜逐漸變穩(wěn)定，1070℃左右可與氧生成致密氧化硅膜，至1400℃都可以基本保持穩(wěn)定[1,8-9]；且氮化硅作為共價鍵化合物，很難致密，比重小，密度約為3.1～3.2 g/cm3，比鈦合金密度（～4.5 g/cm3）要低，而不同的成型方法和氣體比例下，氮化硅的密度也會不一樣[4,10]。正是由于氮化硅陶瓷材料耐熱、抗冷熱沖擊、硬度高、耐磨損、韌性較高，且具有自潤滑性、耐腐蝕、化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)異的特性，它能夠被應用于傳統(tǒng)金屬材料所不能適應匹配的極端環(huán)境，其制成的氮化硅軸承球、渦輪轉(zhuǎn)子、陶瓷刀具等零部件產(chǎn)品也已經(jīng)被應用于航天軍工、機械工程、高性能機床以及化工等現(xiàn)代科學技術和工業(yè)領域。

近年來，氮化硅作為一種常見的CMOS兼容的光學薄膜介質(zhì)材料，其光學上的特性開始受到越來越多關注。氮化硅的折射率介于二氧化硅和硅之間，具有較低的折射率、較大的能帶間隙和大范圍的透明光學窗口，該窗口覆蓋可見光到中紅外波段，意味著普通氮化硅材料具有寬帶低吸收特性，在集成光子器件中能實現(xiàn)寬帶低損耗的功能。而通過在制備過程中調(diào)節(jié)相關氣體參數(shù)，還能制備出保留了普通氮化硅光學特性的、折射率相對較高的富硅氮化硅薄膜材料，從而使得氮化硅材料的折射率范圍擴展到了1.9～3.2之間，而對應的消光系數(shù)和非線性系數(shù)也有了可調(diào)控區(qū)間，這大大地豐富了器件設計中材料選擇的自由度，使其在薄膜光學、微納平面光學和非線性集成光學等領域中具有巨大的吸引力。

在光學薄膜方面，通過制備氮化硅一維光子晶體結(jié)構(gòu)，利用沿一維方向周期性排列的不同折射率介質(zhì)，使得入射光被每個界面折反射進而發(fā)生干涉相消或相長，從而實現(xiàn)減反膜與濾波器的器件設計。在微納平面光學方面，氮化硅被廣泛應用于可見光超構(gòu)表面和光柵耦合器中。超構(gòu)表面是由許多亞波長微納結(jié)構(gòu)按照特定的功能需要以特定的人工排列組合成的一種微納平面光學元件，具有超出自然界固有電磁性質(zhì)的超常光學功能，能夠在亞波長尺度下實現(xiàn)對光場振幅、相位、偏振、頻率等特性的精準操控，從而任意調(diào)控整體波陣面的形狀和性質(zhì)，獲得所需的光學元件性能。比如操控相位分布的、具有高分辨成像功能的氮化硅超構(gòu)透鏡，以及操控頻譜特性的、具有像素級顏色調(diào)控的氮化硅超構(gòu)表面等。而光柵耦合器是一種通過在片上光波導引入周期性或非周期刻槽形成的結(jié)構(gòu)，利用光柵的布拉格衍射條件，其通常用于實現(xiàn)光纖和芯片中光波的耦合。該結(jié)構(gòu)可解決波導模式與光纖模式的波矢匹配問題，實現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)換。在非線性集成光學方面，氮化硅材料在利用克爾效應上也具有良好的優(yōu)勢。光學克爾效應是指入射光本身的電場引起的材料折射率的非線性變化。這導致的折射率變化與入射光電場振幅的二次方以及材料本身的克爾系數(shù)成正比，進而導致自聚焦、自相位調(diào)制等非線性光學效應。利用氮化硅材料的折射率可調(diào)特性，通過調(diào)節(jié)制備參數(shù)可獲得富硅氮化硅材料，其具有更大的非線性系數(shù)，同時保留了大帶寬、低損耗和CMOS兼容特性，對其非線性特性進行調(diào)諧，可以達到與硅相接近的非線性克爾系數(shù)，從而能很好地實現(xiàn)較強非線性效應。總的來說，氮化硅光學薄膜與超構(gòu)表面?zhèn)戎赜谖⒓{光場的面外調(diào)控，而氮化硅光柵耦合器與非線性波導則側(cè)重于面外與片上光場的耦合及片上微納光場的調(diào)控。

本文將對基于氮化硅材料的光子器件與應用的研究進展進行綜述。第一部分為引言；第二部分簡要介紹了氮化硅材料的光學特性，并將從光學薄膜出發(fā)，論述氮化硅光學薄膜在帶通濾波、減反以及選擇性濾色等方面的光學應用；第三部分將綜述氮化硅材料在超構(gòu)透鏡、結(jié)構(gòu)色等光學超構(gòu)表面的應用；第四部分將講述氮化硅光柵耦合器的研究進展；第五部分將介紹富硅氮化硅材料在非線性領域的應用研究；最后是對全文的總結(jié)和展望。

2 氮化硅材料及其光學薄膜應用

2.1 氮化硅光學薄膜材料

氮化硅的折射率介于二氧化硅和硅之間，普通氮化硅的折射率在2.0左右，其具有較大的能帶間隙（～5 eV），沒有雙光子吸收和自由載流子效應，透明光學窗口覆蓋可見、近紅外通信波段到中紅外波段（0.25μm～8μm），在此窗口內(nèi)，可實現(xiàn)非常低的傳輸損耗。如圖1（a）所示，相比于應用主要集中在近紅外波段的Ⅲ-Ⅴ族半導體材料和絕緣體上硅（SOI）材料，絕緣體上氮化硅材料的應用波長范圍更廣，可覆蓋從可見光到整個近紅外光譜范圍[11-14]。但由于二氧化硅在4μm 波長以上的強吸收特性限制了其工作波長的進一步擴大，而這一點在SOI平臺上也同樣存在，從而在近紅外到中紅外的波長范圍主要由鍺/硅材料填補。因此，在光學透明薄膜材料中，氮化硅是一種很好的候選材料，其可與CMOS制備工藝完全兼容，成本低，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，作為集成光子器件材料將具有非常大的優(yōu)勢，能應用在太陽能、光學成像、光通信等領域。

圖1 （a）不同材料體系在紫外到遠紅外的光譜工作波長范圍以及對應波段的相關應用[11]；（b）我們實驗室中CVD 沉積過程中通入不同N2/SiH4的氣體濃度比例獲得的氮化硅薄膜的光學參數(shù)（n，k）值；（c）二氧化硅、氮化硅以及硅材料的帶隙與其（線性及非線性）折射率關系圖[14]Fig.1 (a)Working wavelengths of different material from UV to far-infrared and their related applications in corresponding wavebands[11];(b)optical parameters(n,k)of silicon nitride films obtained by different N2/SiH4 gasconcentration ratiosduring CVD by our lab;(c)diagram of therelationship between band gaps and(linear and nonlinear)refractive index of silicon dioxide,silicon nitride and silicon materials[14]

普通氮化硅薄膜可以通過一種成本低廉的薄膜沉積工藝獲得，比如利用電感耦合等離子體化學氣相沉積（ICP-CVD）方法，在300℃下加入SiH4和N2作為反應氣體，最終形成所需的氮化硅薄膜[12]。而在沉積過程中，還可以通過調(diào)節(jié)生長工藝參數(shù)對氮化硅的折射率進行調(diào)控，例如通過改變SiH4和N2的比率，可以改變氮化硅薄膜中硅原子的含量，如圖1（b）所示。當反應氣體中SiH4比例增加時，最終得到的氮化硅薄膜中硅原子的比例也將增加，氮化硅薄膜的折射率也隨之增大，從而形成比普通氮化硅折射率要高的富硅氮化硅（Silicon-Rich Nitride，SRN）薄膜，而其他光學參數(shù)，如消光系數(shù)以及高階非線性系數(shù)也會隨著氣體比例的改變而改變。又如，傳統(tǒng)的物理氣相沉積（PVD）方法是通過對純氮化硅靶材進行磁控濺射制備氮化硅薄膜的，若將磁泵濺射的靶材換成硅，并在制備過程中通入N2和Ar 氣體，從而通過調(diào)節(jié)N2/Ar 的氣體濃度比例也可以獲得不同折射率的富硅氮化硅材料[13]?？偟膩碚f，氮化硅薄膜材料折射率的可調(diào)控范圍一般在1.9～3.2之間，這個范圍不僅覆蓋了二氧化鈦和氮化鎵材料的折射率，還提供了一個在普通氮化硅和硅之間調(diào)整的折射率，保證了較強的光局域效應和高密度器件集成潛力，并使得在設計上材料的選擇范圍更廣。

此外，在非線性研究領域，氮化硅材料也具有良好的優(yōu)勢。根據(jù)Kramers-Kronig 和Millers規(guī)則，隨著折射率的增大，禁帶能量減小，而非線性系數(shù)會增大。因此，氮化硅薄膜材料能提供一定范圍的折射率，這也就意味著能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的非線性系數(shù)的調(diào)控。圖1（c）描繪了幾種CMOS兼容材料的折射率、非線性系數(shù)和能帶[14]，可以看到，不同折射率的氮化硅材料對應的非線性系數(shù)也不一樣，相比于二氧化硅，其可選擇的非線性系數(shù)范圍更廣。而圖中非晶硅材料位于較強雙光子吸收效應的右邊深色區(qū)域，因而往往用于制備小功率的非線性器件。氮化硅材料則基本都落在無雙光子吸收效應的左邊淺色區(qū)域，在實現(xiàn)大功率高增益非線性光學器件上具有巨大的潛力。以上這些光學特性使得氮化硅薄膜材料成為薄膜光學、超構(gòu)平面光學、非線性集成光學等領域中一種極具吸引力的材料。

2.2 氮化硅光學薄膜應用

氮化硅的透明窗口覆蓋了可見光波段，并且其折射率比二氧化硅要高，比硅要低，較為適中，常與其他折射率材料相結(jié)合形成帶通濾波片等光學應用元件，也可以和氮氧化硅等介質(zhì)薄膜層結(jié)合用于制備一維介質(zhì)光子晶體結(jié)構(gòu)，對入射光進行選擇性反射，實現(xiàn)光學薄膜的高效多色化調(diào)控。此外，由于氮化硅薄膜能夠飽和硅太陽能電池的表面懸掛鍵、鈍化硅片的內(nèi)部晶體缺陷與降低表面復合速率，因而也被用作高效太陽能電池的背反射層和鈍化層等。

2016年，南京大學的劉斌和張榮等人利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術在藍寶石襯底上成功地制備了二氧化硅/氮化硅多層膜[15]，如圖2（a）所示，其樣品表面粗糙度均方根小于4.5 nm。他們用二氧化硅與氮化硅薄膜設計了分布式布拉格反射器結(jié)構(gòu)的濾波片，通過精確控制二氧化硅和氮化硅層的寬度以及反射率，最終獲得一系列通帶寬度為30 nm，中心通帶范圍為310 nm～370 nm 的紫外帶通濾波片。2017年，中山大學洪瑞江課題組利用磁控濺射技術制備氫化氮化硅/氮化硅/氮氧化硅的多層減反射膜[16]，能兼顧膜層抗反射能力和表面鈍化特性。他們先利用氮化硅/氮氧化硅膜系實現(xiàn)了4.03%的最小反射率以及一個相對較低(561 mV)的開路電壓。而將氫化氮化硅膜層作為鈍化層引入到氮化硅/氮氧化硅多層膜系中，通過優(yōu)化后，該多層膜系能保持較低的反射率(5.43%)，同時將開路電壓提高到了575 mV。同年，印度理工學院Aldrin Antony 課題組通過改變PECVD過程中的氣體混合比，得到了具有不同成分和光學性質(zhì)的單層及多層的氮化硅和氮氧化硅薄膜（折射率為1.53～3.29），并利用不同的氮化硅材料在硅基太陽能電池上制備了介質(zhì)布拉格反射鏡以及多層減反射膜[17]。該反射鏡能在800 nm～1200 nm 波段內(nèi)實現(xiàn)接近100% 的反射率，而在300 nm～1100 nm 波段實驗測得的減反射膜的加權平均反射率約為0.64%。他們在第二年進一步利用富硅氮化硅和氮氧化硅薄膜形成的一維光子晶體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了580 nm～1200 nm 波長范圍內(nèi)具有97.6% 反射率的背反射器[18]，如圖2（b）所示，實驗測得的電池吸收效率達79.3%，短路電流密度僅為14.77 mA/cm2。而在2019年，他們課題組還制備了由氮化硅和氮氧化硅組成的一維光子晶體[19]，能夠?qū)膺M行選擇性反射，并可集成到太陽能電池技術中形成彩色太陽能電池或組件，實現(xiàn)太陽能電池的多色化，如圖2（c）所示。與硅太陽電池的標準參考樣品相比，他們所研制的彩色太陽能電池的相對功率轉(zhuǎn)換效率為70%～80%，保證了一定的太陽能利用效率，同時，在改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的美觀方面也具有潛在的意義。

圖2 氮化硅均勻薄膜的光學應用。（a）帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖[15]；（b）氮化硅/氮化硅/氮氧化硅多層減反射膜反射光譜及結(jié)構(gòu)示意圖[18]；（c）氮化硅/氮氧化硅基彩色太陽能電池薄膜[19]Fig.2 The optical application of silicon nitride homogeneous films.(a)Diagram of band-pass filter structure[15];(b)reflection spectrum and structure diagram of silicon nitride/silicon nitride /silicon oxynitride multilayer antireflection film[18];(c)silicon nitride/ silicon oxynitride filmsin the application of colored solar cell[19]

3 氮化硅超構(gòu)表面

近年來，隨著光學器件的集成化與微型化需求越來越高，具有高自由度設計、高精度調(diào)控和超薄超輕特性的超構(gòu)表面技術受到越來越多的關注，而氮化硅也因其光學波段高透和CMOS兼容的材料特性被廣泛應用于可見光超構(gòu)表面中。本節(jié)主要講述氮化硅超構(gòu)表面在超構(gòu)透鏡[12-13,20-36]、顏色調(diào)控[37-42]以及其它[43-55]方面的發(fā)展。

3.1 氮化硅超構(gòu)透鏡

氮化硅超構(gòu)透鏡的研究始于單色光的消球差設計，實現(xiàn)接近衍射極限的聚焦光斑。2016年，美國華盛頓大學的Arka Majumdar 研究組利用低折射率氮化硅材料設計并制備了多個微尺寸的偏振不敏感超構(gòu)透鏡[20]，最大數(shù)值孔徑為0.75，在633 nm 可見光下最高聚焦效率達40%，并實現(xiàn)了接近衍射極限的聚焦光斑，如圖3（a）所示。他們還展示了渦旋光生成并聚焦的超構(gòu)透鏡設計，實驗上觀察到了甜甜圈形狀的聚焦光斑。隨后在2018年，本課題組將氮化硅超構(gòu)透鏡的數(shù)值孔徑提升到了0.98，并利用電子束曝光系統(tǒng)制備出了首個厘米口徑尺寸的氮化硅超構(gòu)透鏡樣品[12]，如圖3（b）所示，該工作在波長633 nm 下獲得了接近衍射極限的亞波長聚焦光斑，并在實驗上展示出了高分辨的廣角成像潛力。同年，西安光學精密機械研究所趙衛(wèi)等人利用圓柱型氮化硅結(jié)構(gòu)，仿真實現(xiàn)了數(shù)值孔徑為0.58 的非偏振超構(gòu)透鏡[21]，632 nm 工作波長下透過率可以達到85%。韓國科學技術院的Ki-Hun Jeong等人則在實驗上制備了由方型氮化硅納米柱組成的超構(gòu)透鏡，展示了不同可見光波長下的成像效果[22]。2019年，密歇根大學易亞沙課題組利用簡單PECVD與PVD的工藝，生長了折射率不同的富硅氮化硅薄膜[13]。他們使用折射率為2.74、厚度為600 nm 的富硅氮化硅薄膜材料，在可見光波段685 nm 處設計并實現(xiàn)了聚焦效率為42%的亞波長光柵超構(gòu)透鏡。他們還在同一年實現(xiàn)了數(shù)值孔徑為0.9且具有線性偏振器功能的富硅氮化硅超構(gòu)透鏡[23]。超構(gòu)透鏡厚600 nm，周期為280 nm，最小線寬為48 nm，工作波長為685 nm。當入射光為Ez時聚焦效率為49.8%，而對于正交偏振的Hz入射光，聚焦效果會得到抑制，相同焦平面處測得的效率僅為14.5%。

圖3 氮化硅超構(gòu)透鏡。（a）消球差氮化硅超構(gòu)透鏡實現(xiàn)接近衍射極限的聚焦性能[20]；（b）高數(shù)值孔徑厘米口徑氮化硅超構(gòu)透鏡及其成像效果[12]；（c）氮化硅超構(gòu)透鏡實現(xiàn)計算消色差成像[24]；（d）氮化硅超構(gòu)透鏡陣列及其寬帶消色差集成成像應用[26]；（e）基于級聯(lián)超構(gòu)透鏡的微型氮化硅超構(gòu)物鏡[28]；（f）超構(gòu)透鏡相位測量[29]Fig.3 Silicon nitride metalenses.(a)Spherical aberration free silicon nitride metalens achieves the nearly diffraction-limited focusing[20];(b)high-NA centimeter-aperture silicon nitride metalens and its imaging performance[12];(c)silicon nitride metalens for computational achromatic imaging[24];(d)array of silicon nitride metalens for broadband achromatic integral imaging[26];(e)microscope silicon nitride meta-objective based on cascaded metalenses[28];(f) phase characterization of metalens[29]

上述單波長設計的氮化硅超構(gòu)透鏡能在所設計波長下具有接近衍射極限的聚焦光斑，能實現(xiàn)很好的消球差效果，但在其它波長下會具有一定色差，其色差特性類似于普通衍射透鏡，即焦距隨波長的增大而減少。近年來，研究人員利用氮化硅超構(gòu)透鏡在計算消色差和寬帶消色差方面都有了突破。2018年，Shane Colburn 等人實現(xiàn)了數(shù)值孔徑為0.45的單個氮化硅超構(gòu)透鏡的計算消色差成像[24]。他們通過在理想透鏡相位分布上額外添加三次相位分布，增大了氮化硅超構(gòu)透鏡在不同波長上的焦深，使其在焦平面上獲得了譜不變的點擴散函數(shù)，通過后期計算成像濾波處理，在實驗上展示了彩色的計算成像效果，如圖3（c）所示，他們在第二年還實現(xiàn)了計算消色差和變焦成像的結(jié)合[25]。2019年，本課題組提出了基于等效折射率的寬帶消色差方法，設計了偏振不敏感的各種氮化硅納米柱結(jié)構(gòu)，在實驗上實現(xiàn)了可見光波段430 nm～780 nm 的寬帶消色差超構(gòu)透鏡[26]，并制備了60×60的超構(gòu)透鏡陣列，并與北京航空航天大學王瓊?cè)A課題組合作率先在白光下完成了三維非相干集成成像的消色差光學再現(xiàn)效果，如圖3（d）所示。除了對超構(gòu)透鏡的色差進行校正外，通過納米結(jié)構(gòu)的設計還能靈活地定制超構(gòu)透鏡的色散特性。同年，我們利用折射率為2.4的富硅氮化硅材料，在可見光波段設計了雙波長色散調(diào)控的超構(gòu)透鏡[27]。通過設計1000 nm 厚的多種微納結(jié)構(gòu)單元，實現(xiàn)了440 nm 和720 nm波長下的相位解耦與2π 全覆蓋，從而可以實現(xiàn)任意色散的雙波長超構(gòu)透鏡。分別設計了3種雙波長富硅氮化硅超構(gòu)透鏡，分別實現(xiàn)了零軸向色散、正軸向色散和負軸向色散的性能。這一研究結(jié)果有望為復雜熒光成像技術提供雙波長的功能器件。此外，為了盡量滿足寬視場高分辨率的內(nèi)窺成像需求，我們進一步提出了基于級聯(lián)超構(gòu)透鏡的微型超構(gòu)物鏡[28]。超構(gòu)物鏡通過在同一襯底的兩面級聯(lián)兩片直徑分別為400μm 和180μm的超構(gòu)透鏡，在125μm 全視場范圍內(nèi)消單色像差，實現(xiàn)了775 nm 的亞微米級橫向分辨率，結(jié)合光纖束顯微內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，展示了生物組織單細胞輪廓的衍射極限成像，如圖3（e）所示。而針對微型超構(gòu)透鏡的光學性能表征測試，2021年，復旦大學石磊和資劍課題組、香港理工大學蔡定平團隊以及中山大學董建文團隊三方合作，提出了一套干涉成像相位測量系統(tǒng)，通過一次拍照獲得超構(gòu)透鏡的相位分布[29]。該系統(tǒng)可以用于測量尺寸僅為幾十微米的超構(gòu)透鏡，相位測量精度高達0.05 rad。結(jié)合光場傳播計算方法，該系統(tǒng)不僅可以獲得光場強度分布，而且能夠定量分析超構(gòu)透鏡的波像差，評價超構(gòu)透鏡的光學性能，結(jié)果如圖3（f）所示。

除了像差設計外，研究人員在氮化硅超構(gòu)透鏡的焦深設計方面也提出了相關的方法。2020年，Elyas Bayati等人提出了基于伴隨優(yōu)化的逆向設計方法設計擴展焦深的一維氮化硅超構(gòu)透鏡[30]，在625 nm 波長下實現(xiàn)了焦深為44μm 的擴展焦深超構(gòu)透鏡，與普通超構(gòu)透鏡相比，其焦深增大了一倍，且聚焦效率和普通超構(gòu)透鏡差不多。同年，Luocheng Huang 等人提出了3種擴展焦深的超構(gòu)透鏡設計[31]，其相位分布分別滿足對數(shù)非球面、移位圓錐以及根立方（square cubic）的相位分布公式。相比于單純的立方相位分布，這3種相位分布都具有軸對稱的特征，且能實現(xiàn)較長的焦深，能緩解立方相位設計中點擴散函數(shù)的非對稱缺陷問題。在變焦設計方面，Arka Majumdar研究組利用自由曲面光學設計方法，將兩個立方相位分布的氮化硅超構(gòu)表面，組合成阿爾瓦雷斯超構(gòu)透鏡系統(tǒng)[32,33]。當兩個超構(gòu)表面橫向相對位置發(fā)生變化時，超構(gòu)透鏡系統(tǒng)的焦距也隨之產(chǎn)生非線性變化，從而可以通過移動兩個超構(gòu)表面的相對位置，實現(xiàn)動態(tài)的調(diào)焦功能。他們實驗上制備了1 cm 口徑的阿爾瓦雷斯氮化硅超構(gòu)透鏡，在1550 nm 波長下聚焦效率為57%，其調(diào)焦范圍能達到6 cm。2020年，Zheyi Han 等人將阿爾瓦雷斯超構(gòu)透鏡和微機電系統(tǒng)（MEMS）結(jié)合[34]，在1550 nm 波長下利用MEMS驅(qū)動氮化硅超構(gòu)表面橫向移動，在6.3μm 橫向位移范圍內(nèi)能實現(xiàn)68μm 的焦距可調(diào)節(jié)。

此外，日本NTT設備技術實驗室的Masashi Miyata 等人在2020年結(jié)合復眼光學設計，利用氮化硅材料在520 nm 波長下設計了復眼的超構(gòu)透鏡[35]，實驗上展示了高靈敏度、超薄的偏振成像效果。相比于傳統(tǒng)的焦平面劃分（Division-of-Focal-Plane，DoFP）系統(tǒng)，他們提出的復眼超構(gòu)透鏡系統(tǒng)能增加2 倍探測光數(shù)目，且系統(tǒng)厚度縮小到普通偏振相機的1/10，他們的工作將氮化硅超構(gòu)透鏡擴展到了偏振成像領域。同一年，上?？萍即髮W的Saima Kanwal 等人利用氮化硅材料在紫外波段上設計了高效的偏振超構(gòu)透鏡[36]，仿真結(jié)果顯示：該超構(gòu)透鏡在250 nm～400 nm 波段都具有良好的聚焦性能，且最高聚焦效率能達到77%。該工作展示出了氮化硅材料應用于紫外超構(gòu)透鏡并實現(xiàn)高效率的可能性。

3.2 氮化硅顏色調(diào)控超構(gòu)表面

在顏色調(diào)控方面，2019年，日本NTT公司的Toshikazu Hashimoto研究組利用氮化硅超構(gòu)表面展示了像素級的RGB分色元件[37]，如圖4（a）所示，通過設計氮化硅納米柱結(jié)構(gòu)，將430 nm、520 nm和635 nm 的光分別衍射到?1級、0級和1級上，衍射效率在40%～50%之間，從而實現(xiàn)RGB顏色在空間上的分離。他們展示了1.43μm×1.43μm的最小像素分辨率，相比于傳統(tǒng)濾色片，實驗上探測光強增強了2.92倍，將有助于提高彩色成像的靈敏度。此外，CMOS兼容的氮化硅分色元件也有利于和CMOS圖像傳感器集成。同年，蘇州大學陳林森研究組設計并制備了3 cm×3 cm 大小的超構(gòu)表面濾色片[38]，該超構(gòu)表面濾色片由介質(zhì)光柵、鋁納米貼片和氮化硅層組合而成，如圖4（b）所示。通過該濾色片，在相同入射角的垂直平面上能觀察到不同的透射顏色，其透射效率能達到60%，而透射顏色可以通過改變光柵的周期來調(diào)控。該工作在彩色印刷和防偽上具有潛在的應用。韓國光云大學的Chul-Soon Park 等人利用富硅氮化硅折射率較高(n～3)、消光系數(shù)較小的特點設計并制備了一套高效的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)色濾波片[39]，如圖4（c）所示。該超構(gòu)表面由嵌入聚合物層的200 nm 厚富硅氮化硅微納圓柱陣列組成，利用富硅氮化硅圓柱中電偶極子（ED）和磁偶極子（MD）共振，可以實現(xiàn)適當?shù)墓庾V濾波特性。在可見光波段下，人工彩色濾光片在透射和反射模式下都能產(chǎn)生不同的顏色。在非共振區(qū)有高約90%的透過率，而反射模式的效率約為60%。通過調(diào)整納米結(jié)構(gòu)的周期、直徑和高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實現(xiàn)多種顏色的共振。而改變納米結(jié)構(gòu)周圍的聚合物，共振的光譜位置也會得到適當?shù)恼{(diào)整。法國特魯瓦技術大學的Alma K.Gonzalez-Alcalde等人采用基于元模型的優(yōu)化方法來設計300 nm 厚的富硅氮化硅結(jié)構(gòu)色超構(gòu)表面[40]，如圖4（d）所示。該算法將啟發(fā)式優(yōu)化和神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合，檢索出用于再現(xiàn)指定顏色的單元超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的最佳幾何參數(shù)，從而形成所需超構(gòu)表面，并在實驗上驗證了海藍、顏料綠、埃及藍的結(jié)構(gòu)色。該成果在低計算成本的彩色復制上具有潛在意義。2020年，中國臺灣交通大學的Kuo-Ping Chen 研究組制備了氮化硅超構(gòu)表面進行結(jié)構(gòu)色調(diào)控[41]，并展示了不同顏色字符的彩色效果，如圖4（e）所示。在相對較短的波長下利用氮化硅納米柱的瑞利異常來抑制高階的Mie共振，從而實現(xiàn)逼真的顏色像素，RGB像素反射率在40%～70%之間，其像素大小僅有2.5μm×2.5μm，對應的屏幕分辨率約為10160 dpi。此外，西安光學精密機械研究所Yunfan Hong等人設計了一維的氮化硅超構(gòu)表面來實現(xiàn)高飽和度的結(jié)構(gòu)色[42]，如圖4（f）所示，通過優(yōu)化氮化硅超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在仿真上能實現(xiàn)90%的高反射率峰值和10 nm的窄帶半高寬，且其偏振敏感性使得在不同正交偏振下觀察到的顏色也會不一樣。

圖4 氮化硅顏色調(diào)控超構(gòu)表面。（a）像素級RGB分色氮化硅超構(gòu)表面[37]；（b）氮化硅覆蓋層的超構(gòu)表面濾色片[38]；（c）富硅氮化硅超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)色測量光譜在CIE 1931色度圖上的對應[39]；（d）暗場下富硅氮化硅超構(gòu)表面的反射顏色圖[40]；（e）像素級氮化硅超構(gòu)表面實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色調(diào)控[41]；（f）偏振敏感的一維氮化硅超構(gòu)表面實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色調(diào)控[42]Fig.4 Silicon nitride metasurfaces for color control.(a)Pixel-level RGB color separation silicon nitridemetsurface[37];(b)silicon nitride coating metasurface for color filter[38];(c)the corresponding measurement spectrum of silicon-rich nitride metasurface on CIE 1931 chromaticity diagram[39];(d)reflection colors of silicon-rich nitride metasurfaces in dark field[40];(e) pixel-level silicon nitride metasurface for structural color controlling[41];(f)one-dimensional polarizationsensitive silicon nitride metasurface for structural color controlling[42]

3.3 其它氮化硅超構(gòu)表面

除了超構(gòu)透鏡和顏色調(diào)控超構(gòu)表面外，氮化硅超構(gòu)表面在寬帶吸收、波前整型、特殊光束生成等多個方面都有涉及。2016年，土耳其科學家在長波紅外（LWIR）區(qū)域設計了大帶寬和高吸收的氮化硅超構(gòu)表面吸收元件[43]。基于鋁-氮化硅-鋁的MIM結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，在正入射下，所設計的吸收元件在8.07μm～11.97μm 波段內(nèi)具有90%以上的吸收效率，在7.9 μm～14μm 之間吸收率則超過80%。2018年，美國加州理工學院Mooseok Jang等人提出了無序設計的氮化硅超構(gòu)表面[44]，如圖5（b）所示，其具有較大的光存儲效應范圍等獨特的波前整形特征。利用該超構(gòu)表面，他們在實驗上展示了數(shù)值孔徑大于0.5的光學聚焦，以及在8 mm 視場角內(nèi)約2.2×108個可尋點的熒光成像。同年，加拿大滑鐵盧大學的Jeremy Flannery 等人通過在空心光子晶體光纖兩端面貼上一對氮化硅超構(gòu)表面[45]，如圖5（c）所示，實現(xiàn)了光纖集成的法布里-珀羅諧振腔，實驗上測得其精細度約為11，Q因子約為4.5×105。該工作促進了氮化硅超構(gòu)表面向光纖集成化、微型化方向發(fā)展，有望應用于光纖激光器、光譜儀等器件領域。2019年，英國南安普敦大學的Artemios Karvounis等人提出了由二硫化鉬、氧化鉬和氮化硅組成的亞波長納米線陣列超構(gòu)表面[46]，如圖5（d）所示，能夠通過機械變形實現(xiàn)顏色改變，在654 nm波長下相對透過率變化達到197%，且在快速彎曲形變時在678 nm 波長下透過率能達到45%。同年，廈門大學陳理想和中山大學余思遠研究組共同提出了用于片上多通道軌道角動量（OAM）生成和探測的氮化硅超構(gòu)表面[47]，如圖5（e）所示。他們制備了0.5 mm×0.5 mm 的OAM超構(gòu)表面，能夠同時生成拓撲荷從?3到+3的OAM 光束，總轉(zhuǎn)換效率達82%，該超構(gòu)表面還能反向應用于探測光束的OAM態(tài)，其串擾小于?18 dB。此外，在特殊光束整形上，余思遠課題組利用富硅氮化硅在720 nm～2500 nm 范圍內(nèi)具有高折射率和低損耗的特性，在2019 年設計了晶格常數(shù)為1000 nm、厚度為1200 nm 的高效偏振敏感的富硅氮化硅超構(gòu)表面[48]。它能夠在1550 nm 波長處產(chǎn)生2π 相位控制的螺旋光束，并且螺旋光束的主瓣沿螺旋軌跡運動。而2020年，易亞沙課題組則通過將焦點塑造成設計靈活的圖案，提出了一種新的點陣聚焦超構(gòu)表面[49]，并將其推廣到人工聚焦圖形中。他們利用600 nm 厚的富硅氮化硅材料制備并表征了具有“M”形焦點的超構(gòu)表面，在685 nm入射光照射下，在圖案不同位置的聚焦NA 值在0.6到0.8變化。同一年，美國華盛頓大學Yueyang Chen 等人通過將原子級薄的單層二硒化鎢（WSe2）集成到氮化硅超構(gòu)表面中[50]，如圖5（f）所示，形成一個二維的激子?極化子系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的反射譜和光致發(fā)光光譜中能觀測到極化色散的反交叉特征，以及18 meV 的Rabi劈裂。除了上述類型的超構(gòu)表面外，近年來科學家在特殊光束生成、光致發(fā)光、非線性效應等方面都對氮化硅超構(gòu)表面展開研究，并在國際會議上進行了相關報道[51-55]?？梢钥吹剑璩瑯?gòu)表面的相關研究在不斷發(fā)展和深入，未來也將涉及到更多更廣的應用領域。

圖5 其它氮化硅超構(gòu)表面。（a）長波紅外氮化硅超構(gòu)表面吸收器[43]；（b）基于無序設計的氮化硅超構(gòu)表面實現(xiàn)波前整形[44]；（c）光纖端面氮化硅超構(gòu)表面[45]；（d）氮化硅超構(gòu)表面實現(xiàn)機械變色[46]；（e）多通道OAM 氮化硅超構(gòu)表面[47]；（f）單層二硒化鎢集成的氮化硅超構(gòu)表面[50]Fig.5 Other silicon nitride metasurfaces.(a)Silicon nitride metasurface absorber working on long-wave infrared[43];(b)silicon nitridemetasurfacebased on disordered design for wavefront shaping[44];(c)silicon nitridemetasurfaceat fiber endface[45];(d)mechanochromic reconfigurable silicon nitride metasurface[46];(e)multi-channel OAM silicon nitride metasurface[47];(f)silicon nitride metasurface integrated with single-layer WSe2[50]

4 氮化硅光柵耦合器

近年來，光子集成電路（PIC）已經(jīng)逐漸發(fā)展為一項成熟且強大的技術，其在信息傳輸和處理領域有著難以替代的優(yōu)勢，因此被廣泛應用于光通信、光學傳感及量子信息處理等領域。PIC中的一個關鍵問題是實現(xiàn)光纖和亞微米波導芯片之間的高效耦合。其中，由于光柵耦合器具有空間位置靈活、制作工藝較為簡單等優(yōu)點，在解決光纖與波導間的耦合問題上具有重要作用。光柵耦合器是一種通過在片上光波導引入周期性（或非周期）刻槽形成的結(jié)構(gòu)，利用光柵的布拉格衍射，實現(xiàn)光纖和芯片中光波的耦合。當滿足相位匹配條件時，來自外部光纖的入射光可以耦合到片上波導中進行傳輸；反之，來自波導的入射光也可以通過光柵耦合器耦合出去，進入外部光纖中。2020年初，北京大學彭超課題組與其合作者從拓撲光子學視角提出了一種單層硅光柵上不依靠反射鏡而實現(xiàn)定向輻射的方法，有望顯著提高向外輻射效率以及降低片上光端口的插入損耗[56]。但光柵耦合器最重要的性能指標除了耦合效率，還有耦合帶寬（通常以耦合效率的1-dB點或3-dB點為標準），而傳統(tǒng)的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器因材料限制通常面臨著耦合帶寬較低的問題。顯著增加1-dB點耦合帶寬的方法是減小光柵的有效折射率，氮化硅作為一種合適的材料，既具有硅基材料的CMOS兼容性，保持低成本與合理的集成度，也能以較低的等效折射率實現(xiàn)最佳的光柵耦合強度。此外，由于氮化硅與二氧化硅的折射率對比度較低，可以使光子器件對表面粗糙度的敏感性降低，并且在制造過程中對尺寸偏差的容忍度更高。因此，利用氮化硅材料制備的光柵耦合器有希望實現(xiàn)更好的相位誤差容忍度，更低的插入損耗和更好的熱穩(wěn)定性，促進PIC耦合問題的解決，在光芯片中具有潛在的應用價值。下面將分別針對單層氮化硅光柵耦合器[57-69]，反射鏡結(jié)合的光柵耦合器[70-75]和雙層光柵耦合器[76-78]展開綜述。

4.1 單層光柵耦合器

在氮化硅光柵耦合器發(fā)展前期，研究的關注點主要集中在均勻或變跡的單層光柵耦合器結(jié)構(gòu)[57-69]。2008年，法國科學家Laurent Vivien 等人較早提出了基于氮化硅波導的均勻光柵耦合器[57]，在1310 nm 波長下的耦合效率超過60%，3-dB點耦合帶寬為50 nm。當波長從1310 nm 增加到1450 nm 時，其耦合效率逐漸降低，但在1450 nm處仍保持20% 以上。2010年，美國貝爾實驗室Christopher R.Doerr 等人的工作將1-dB點耦合帶寬提升至67 nm，且在1565 nm 處的峰值耦合效率為?4.2 dB[58]。該工作闡明了光柵等效折射率與帶寬的關系，認為氮化硅光柵耦合器相比SOI硅光柵耦合器具有更大的耦合帶寬。2013年，德國科學家Sebastian Romero-García 等人提出了可見光波段下與自由空間高斯光束相耦合的氮化硅光柵耦合器[59]，中心波長為660 nm，在TE偏振下耦合效率高于38%。2014年，新加坡A*STAR的Huijuan Zhang 等人利用深紫外光刻技術制備了高效的氮化硅光柵耦合器[60]，如圖6（a）、6（b）所示，實驗測得的在1480 nm 處峰值耦合效率為?5.1 dB，1-dB點耦合帶寬為60 nm。2016年，華中科技大學夏金松等人提出了700 nm 厚的氮化硅條形波導光柵耦合器[61]。通過聚焦光柵結(jié)構(gòu)和反拉錐波導相結(jié)合，將占位面積減小至70.2μm×19.7μm。如圖6（c）、6（d）所示，在TE 偏振下實驗上獲得了峰值耦合效率為?3.7 dB，1-dB點耦合帶寬為54 nm 的光柵耦合器。斯洛伐克茲利納大學Jan Litvik研究組利用傅立葉本征模展開法和時域有限差分法，設計了寬帶的氮化硅光柵耦合器[62]。在1550 nm波長處具有–2.6635 dB（54.16%）的峰值耦合效率，其1-dB點耦合帶寬達80 nm。同年，浙江大學何建軍研究組提出了一種自成像的單層氮化硅變跡光柵耦合器[63]，輸出光纖放置在距離光柵耦合器特定距離處（約112μm），在1550 nm 波長附近，仿真得到了86%（?0.66 dB）的耦合效率，3-dB點耦合帶寬為40 nm。通過對光柵耦合器振幅和相位的變跡來設計自成像光柵的傳遞函數(shù)，從而產(chǎn)生與光纖模式相匹配的像場。該研究組還在2018年對設計的光柵結(jié)構(gòu)進行了實驗演示，獲得了?1.5 dB的耦合效率，其3-dB點耦合帶寬為60 nm[64]。

圖6 氮化硅單層光柵耦合器結(jié)構(gòu)。（a）基于深紫外光刻制造的光柵耦合器示意圖[60]；（b）光柵耦合器部分區(qū)域放大的SEM 圖[60]；（c）聚焦光柵耦合器結(jié)構(gòu)的SEM圖[61]；（d）在不考慮拉錐波導損耗的情況下測得的氮化硅光柵耦合器的耦合效率（實線）和模擬的耦合效率（虛線）[61]Fig.6 Silicon nitride single-layer grating couplers.(a)Schematic diagram of grating coupler manufactured based on deep ultraviolet lithography[60];(b)enlarged SEM image of part of grating coupler[60];(c)SEM image of focusing grating coupler structure[61];(d)coupling efficiency(solid line)and simulated coupling efficiency(dashed line)of a silicon nitride grating coupler measured without considering the loss of the tapered waveguide[61]

4.2 反射鏡結(jié)合的光柵耦合器

在光柵耦合器實際耦合過程中，由于光柵的衍射特性，會有相當一部分光泄露到襯底當中。這限制了耦合效率的進一步提高。因此，為了減少向襯底泄露的光，研究人員提出了在光柵底部設計充當反射鏡功能的結(jié)構(gòu)，從而提高器件的整體耦合效率[70-75]。2014年，新加坡A*STAR 的Huijuan Zhang 等人提出了一種分布式布拉格反射器（DBR）結(jié)合的高效氮化硅光柵耦合器[70]。采用由高折射率材料非晶硅和低折射率材料二氧化硅薄膜組成的DBR 結(jié)構(gòu)作為底部反射鏡，通過將向下的衍射光反射上去來提高耦合效率。在1490 nm處獲得的峰值耦合效率約為?2.5 dB，1-dB點耦合帶寬為53 nm。2015年，華中科技大學張新亮研究組也從理論上提出了具有高效率的反射鏡結(jié)合的氮化硅光柵耦合器[71]，如圖7（a）、7（b）所示，他們利用具有高反射率的底部硅光柵反射器代替分布式布拉格反射器。硅光柵反射器是基于220 nm頂部硅層的標準SOI晶圓設計的，通過適當?shù)卣{(diào)整硅光柵的溝槽寬度和周期長度，可以獲得超過90%的高反射率。氮化硅光柵層與硅光柵層之間存在一定厚度的二氧化硅。當兩種光柵之間距離適當時，使用均勻的光柵耦合器結(jié)構(gòu)，理論上可獲得?1.47 dB的低耦合損耗。而通過對氮化硅光柵耦合器進行變跡設計，理論上則可預測到?0.88 dB的更低損耗。2017年，日本九州大學Shiyoshi Yokoyama 研究組實驗表征了一種利用四分之一波長厚度的氮化硅和二氧化硅交替堆疊而成作為多層介質(zhì)反射器的高效氮化硅光柵耦合器[72]。實驗測得在1.55μm 處峰值耦合效率為?4.5 dB，3-dB點耦合帶寬為68.0 nm。2018年，天津工業(yè)大學張贊允課題組則采用變跡光柵結(jié)構(gòu)，設計了一種基于氮化硅材料的光柵耦合器，實現(xiàn)了對入射光的垂直耦合[73]。在襯底帶有金屬反射鏡的情況下，在1550 nm 波長處單向傳輸?shù)鸟詈闲蔬_到了79.5%，相比于不引入金屬反射鏡時，耦合效率提高了21.7%。2019年，印度科學研究所Siddharth Nambiar 等人在PECVD平臺上制備了具有底部布拉格反射器的高效氮化硅光柵耦合器[74]。如圖7（c）、7（d）所示，當?shù)韬穸葹?00 nm時，在1573 nm 的波長處峰值耦合效率為?2.29 dB，1-dB點耦合帶寬為49 nm；而氮化硅厚度降低到400 nm 時，在1576 nm 處耦合器的耦合效率為?2.58 dB，1-dB點耦合帶寬達52 nm。

圖7 與底部反射鏡相結(jié)合的氮化硅光柵耦合器。（a）以硅反射光柵作為底部反射鏡的氮化硅光柵耦合器示意圖[71]；（b）具有不同掩埋氧化層厚度的變跡氮化硅光柵耦合器的耦合效率[71]；（c）基于PECVD平臺制造的DBR 反射鏡式部分刻蝕光柵耦合器SEM 圖[74]；（d）光纖傾斜角為8.5°時不同光柵周期對耦合效率的影響[74]Fig.7 Silicon nitride grating couplers combined with bottom mirror.(a)Schematic diagram of a silicon nitride grating coupler with a silicon reflection grating as the bottom mirror[71];(b)coupling efficiency of apodized silicon nitride grating couplers with different buried oxide thicknesses[71];(c)SEM image of DBR mirror type partially etched grating coupler manufactured on PECVD platform[74];(d)the influence of different grating periods on the coupling efficiency when the fiber tilt angle is 8.5°[74]

4.3 雙層光柵耦合器

除了結(jié)合反射鏡式結(jié)構(gòu)的方法外，研究人員還提出了雙層光柵耦合器結(jié)構(gòu)[76-78]，通過增加光柵耦合器設計的自由度，從而達到提高耦合效率和增大耦合帶寬的效果。2014 年，加拿大多倫多大學的Wesley D. Sacher 研究組提出并演示了一個雙層光柵耦合器[76]，該光柵耦合器由65 nm 厚的硅光柵層和400 nm 厚的氮化硅光柵層組成，兩光柵層之間有135 nm 厚度的二氧化硅間隔層。實驗上測得該雙層光柵耦合器在1536 nm 處的峰值耦合效率為?1.3 dB，其1-dB點耦合帶寬為80 nm。通過調(diào)節(jié)氮化硅和硅光柵之間的偏移量，光柵耦合器的方向性可提高到81%。此外，他們還展示了使用雙層光柵耦合器和熱調(diào)諧硅微環(huán)諧振器結(jié)合的可調(diào)多路復用器/分解器。2017年，中山大學的余思遠研究組提出了一種新穎的雙層變跡光柵耦合器[77]，如圖8（a）、（b）所示。該光柵耦合器由600 nm 厚的氮化硅層、220 nm 厚的硅層以及1.6μm 的二氧化硅間隔層組成。他們先對均勻光柵進行數(shù)值優(yōu)化設計，再通過遺傳算法進一步優(yōu)化實現(xiàn)變跡設計。最終獲得的雙層變跡光柵在實驗上1567 nm 波長附近獲得了?2.5 dB 的耦合效率，其1-dB點耦合帶寬為65 nm。2018年，美國紐約州立大學的Eng Wen Ong等人也提出了多個雙層氮化硅光柵耦合器[78]，如圖8（c）、8（d）所示，其中氮化硅層厚度為220 nm。在C波段TE偏振下，光柵耦合器理論上耦合效率能達到?2.28 dB，1-dB點耦合帶寬為57.7 nm。在均勻的橢圓形布局設計下，峰值耦合效率為?2.61 dB，1-dB點耦合帶寬為50.7 nm。而對于變跡橢圓形布局設計，實驗測得的耦合效率達到?2.56 dB，1-dB點耦合帶寬為46.9 nm。

圖8 雙層光柵耦合器。（a）由氮化硅光柵和硅光柵組成的雙層光柵耦合器示意圖[77]；（b）均勻和變跡光柵耦合器模擬與實驗測得的耦合效率曲線[77]；（c）雙層氮化硅光柵耦合器結(jié)構(gòu)示意圖[78]；（d）對于具有不同橫向布局（圓形，橢圓形和矩形）的光柵耦合器模擬和測量的耦合效率曲線。藍色誤差線表示橢圓布局的平均插入損耗的1個標準偏差[78]Fig.8 Double-layer grating couplers.(a)Schematic diagram of double-layer grating coupler composed of silicon nitride grating and silicon grating[77];(b)coupling efficiency curvesof uniform and apodized grating couplers measured by simulation and experiment[77];(c)schematic diagram of the double-layer silicon nitride grating coupler structure[78];(d)simulated and measured coupling efficiency curves for grating couplers with different lateral layouts(circular,elliptical and rectangular).The blueerror bar represents 1 standard deviation of the average insertion lossof the elliptical layout[78]

5 富硅氮化硅波導非線性應用

在PIC應用中，基于氮化硅材料的集成光波導[11,79-83]具有寬帶低損、無雙光子吸收的特點，且對光具有一定的局域能力，使其在上世紀70，80年代就受到了廣泛的關注，并有相關工作報道了使用氮化硅材料制備的薄膜平板波導[84-85]以及條形波導[86-87]。而隨著時間的推移和技術的進步，各種降低氮化硅波導損耗的優(yōu)化方法也被相繼提出，如高溫退火處理以減少有害的散射基團、優(yōu)化蝕刻以減少側(cè)壁損耗等等。在2017年，美國紐約大學的Michal Lipson 等人就通過各種方法減小條形波導表面的粗糙度，最終將普通氮化硅波導的損耗控制在1 dB/m 以內(nèi)[88]，而類似的硅材料波導結(jié)構(gòu)的損耗往往為3 dB/m[89]，甚至是10 dB/m～50 dB/m[90]。這種低損耗特性也使得普通氮化硅波導被應用于一些大帶寬、高功率的非線性光學元件中[91-93]。例如，在2015年，新加坡A*STAR 的Doris K.T. Ng 等人就通過調(diào)節(jié)ICPCVD反應氣體的參數(shù)使得其富硅氮化硅薄膜在1550 nm 的折射率從2.2增加到3.08，并保持一個近乎為0的消光系數(shù)[94]。2017年，瑞典查爾姆斯理工大學的Clemens J.KRüCKEL 課題組利用低壓化學氣相沉積（LPCVD）系統(tǒng)制備富硅氮化硅薄膜材料，通過不同氣體流量比得到折射率與非線性克爾系數(shù)不同的富硅氮化硅薄膜并制備了一系列波導結(jié)構(gòu)[95]。雖然實驗所得波導損耗也隨著折射率的增加從0.4 dB/cm 上升到7.3 dB/cm，但是LPCVD下制備的普通氮化硅的克爾系數(shù)僅為（0.31±0.04）×10?18m2/W，而富硅氮化硅的克爾系數(shù)可通過氣體比例調(diào)節(jié)提高到（1.13 ±0.13）×10?18m2/W。此外，相比于硅材料，富硅氮化硅在通訊波段有更大的帶隙，也不存在雙光子吸收和自由載流子效應，從而在更寬的波長范圍內(nèi)具有較低的線性和非線性損耗。這些特性使得富硅氮化硅波導在高次諧波的產(chǎn)生與波長轉(zhuǎn)換[96-103]和連續(xù)光譜與頻率梳產(chǎn)生[104-107]等非線性應用中具有重要的應用價值。

5.1 諧波產(chǎn)生與波長轉(zhuǎn)換

全光波長轉(zhuǎn)換可以提高信號傳輸?shù)念l譜利用率和系統(tǒng)容量，是全光網(wǎng)絡中的一項關鍵技術，也是非線性光學最吸引人的應用之一。它是指不經(jīng)過光-電處理，直接在光域內(nèi)將某一波長（頻率）的光信號直接轉(zhuǎn)換到另一波長（頻率）上的轉(zhuǎn)換技術。而全光波長轉(zhuǎn)換離不開高階諧波的產(chǎn)生。富硅氮化硅材料色散均勻、非線性系數(shù)大的特點在諧波產(chǎn)生與波長轉(zhuǎn)換上有很大優(yōu)勢。2015年，瑞典Clemens J.KRüCKEL 等人利用LPCVD制備了克爾系數(shù)為1.4×10?18m2/W 的700 nm 厚富硅氮化硅薄膜[96]。并通過干法蝕刻獲得了高垂直度的富硅氮化硅條形波導，測得其損耗約為1.8 dB/cm，在1570 nm 以上為1.2 dB/cm。并在1563 nm 附近實現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率為?37 dB，圖9（a）所示。2017年，新加坡的D.T.H.Tan 課題組使用線性折射率為3.1的富硅氮化物薄膜制成了條形波導，并實現(xiàn)了將1620 nm 處的信號光到1450 nm 閑頻光的超過170 nm 的寬帶波長轉(zhuǎn)換。其峰值轉(zhuǎn)換效率為?24.9 dB[97]。而在2019年，法國勃艮第大學的Manon Lamy 等人使用折射率為2.53、克爾系數(shù)為1.8×10?18m2∕W 制備的富硅氮化硅條形波導，在2μm 波長附近實現(xiàn)了效率為?18 dB的波長轉(zhuǎn)換及10 Gbit/s開關鍵控信號的低損耗傳輸[98]。同年，英國南安普頓大學的C.Lacava 等人通過雙泵布拉格散射方案[99]，利用不同模式富硅氮化硅條形波導的折射率分布不同的特點，實現(xiàn)相位匹配和色散工程控制，進而在40 nm 帶寬上實現(xiàn)了最大轉(zhuǎn)換效率為?15 dB的波長轉(zhuǎn)換。為了增強非線性效應，獲得更高的轉(zhuǎn)化效率，人們往往會引入慢光效應，降低光的群速度使光子充分跟物質(zhì)相互作用。在2017年，英國的Kapil Debnath 等人利用折射率為2.54的富硅氮化硅材料分別設計并制備了用于電信波長的懸浮二維W1光子晶體波導和W0.7光子晶體波導用于實現(xiàn)良好的慢光效果[100]。對于W1光子晶體波導，實驗測得群折射率大于110，與Si光子晶體波導的測量值相當。但W1波導傳輸帶寬僅為20 nm，傳輸損耗為53 dB/cm。而W0.7光子晶體波導，在快光區(qū)的群折射率為7.4，傳輸帶寬能超過70 nm，傳輸損耗為4.6 dB/cm。該工作促進了富硅氮化硅材料在集成光子晶體器件上的應用。在2020年，新加坡D.T.H.Tan 課題組還利用富硅氮化硅光子晶體波導實現(xiàn)了四波混頻[101]，實驗測得光參量信號增益達到?3 dB，瞬時閑頻轉(zhuǎn)換效率達到1 dB，通過光子晶體非線性增強實現(xiàn)了每單位長度上333 dB/cm 大的開關增益。

圖9 富硅氮化硅材料的非線性應用。（a）高垂直度低損耗富硅氮化硅波導實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換[96]；（b）富硅氮化硅光子晶體微腔獲得二次與三次諧波[103]；（c）富硅氮化硅諧振環(huán)結(jié)構(gòu)觀察到自相位調(diào)制獲得光譜展寬[105]Fig.9 Silicon-rich nitride materials for nonlinear applications.(a)High-perpendicularity and low-loss silicon-rich nitride waveguide for wavelength conversion[96];(b)second and third harmonics generated by silicon-rich nitride photonic crystal cavity[103];(c)spectral broadening obtained by self phase modulation in silicon-rich nitride micro ring resonator[105]

增強非線性效應的方法除了利用慢光效應增強光與物質(zhì)的相互作用外，通過諧振腔或諧振環(huán)將光局域在一個較小的空間范圍內(nèi)是增強光與物質(zhì)相互作用的最有效途徑之一。2015年，中國臺灣大學的Gong-Ru Lin 等利用PECVD沉積硅含量為23.4%、克爾系數(shù)為2.17×10?13cm2/W 的富硅氮化硅薄膜，并制備了由波導和微環(huán)結(jié)構(gòu)組成的非線性克爾開關的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)[102]。實驗測得微環(huán)諧振器的質(zhì)量因數(shù)Q為11 000，通過該微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，他們演示了12 Gbit/s速率下的光開關鍵控數(shù)據(jù)的波長和格式轉(zhuǎn)換，暗示了富硅氮化硅材料在全光通信網(wǎng)絡中全光交叉波長轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方面具有很好的應用前景。2019 年，意大利的Marco Clementi研究小組利用光子晶體微腔獲得了高達13 000品質(zhì)因子Q，進而得到了二次諧波和三次諧波產(chǎn)生效率分別為(4.7±0.2)×10?7W?1和(5.9±0.3)×10?5W?2[103]，如圖9（b）所示。

5.2 連續(xù)光譜與頻率梳

與波長轉(zhuǎn)換類似，寬帶超連續(xù)譜的產(chǎn)生依賴于較強的非線性效應和合適的波導色散。而自相位調(diào)制（Self-Phase Modulation，SPM）便是一種能夠?qū)崿F(xiàn)超連續(xù)譜產(chǎn)生的非線性效應。2015年，新加坡科技設計大學的Ting Wang等人[104]通過設定了合適的富硅氮化硅薄膜的硅含量，使薄膜具有足夠大的帶隙以消除1550 nm 處的雙光子吸收，又同時具有與非晶硅相當?shù)姆蔷€性克爾系數(shù)（2.8×10?13cm2/W）。他們制備了4μm 寬、300 nm厚的富硅氮化硅波導，測得其傳輸損耗為7 dB/cm。在3 W 的輸入峰值功率下，獲得了約2.5π 的非線性相移以及形狀高度對稱的自相位調(diào)制，從而實現(xiàn)了超過0.6倍頻程的超連續(xù)譜。第二年，他們還利用品質(zhì)因子Q>10000的諧振環(huán)結(jié)構(gòu)及長度僅為430μm 的富硅氮化硅波導觀察到兩倍的自相位調(diào)制引起的光譜展寬，最大的展寬寬度為270 nm，相當于基本輸入的4.5倍[105]，如圖9（c）所示。2016年，丹麥大學Xing Liu 課題組利用10 mm 長的富硅氮化硅波導實現(xiàn)?30 dB閾值下800 nm～2400 nm 超連續(xù)光譜[106]。2019年，瑞典查爾姆斯理工大學Zhichao Ye等人通過退火工藝制備了低損耗（0.4 dB/cm）的富硅氮化硅波導[107]，并在C波段和L 波段實現(xiàn)了半徑為22μm 的富硅氮化硅微環(huán)諧振器，其品質(zhì)因子達800000，獲得了1300 nm～2000 nm 的寬帶低噪聲微環(huán)諧振腔頻率梳。

6 總結(jié)與展望

本文主要介紹了CMOS兼容的氮化硅材料的光學特性及其微納光學器件研究進展。在材料光學特性方面，普通氮化硅具有較低的折射率、較大的能帶間隙和大范圍的透明光學窗口，該窗口覆蓋可見光到中紅外波段，意味著普通氮化硅材料具有寬帶低吸收特性，在集成光子器件中能實現(xiàn)寬帶低損耗的性能。而通過在制備過程中調(diào)節(jié)相關氣體參數(shù)，還能制備出保留了普通氮化硅光學特性的、折射率相對較高的富硅氮化硅薄膜材料，從而使得氮化硅材料的折射率范圍擴展到了1.9～3.2之間，而對應的消光系數(shù)和非線性系數(shù)也具有可調(diào)控區(qū)間，這大大豐富了器件設計中材料選擇的自由度，使其在薄膜光學、微納平面光學和非線性集成光學等領域中具有巨大的吸引力。首先介紹了氮化硅光學薄膜在紫外帶通濾波、可見光和近紅外寬帶減反、選擇性反射等選擇性功能薄膜方面的實驗研究結(jié)果，并展示了其被應用在太陽能電池的效率改善和美觀上。然后闡述了氮化硅材料在超構(gòu)表面和光柵耦合器方面的應用。在超構(gòu)表面方面，基于低損耗氮化硅材料的超構(gòu)透鏡在消球差、消色差、長焦深、變焦設計等方面都了相關研究，期間氮化硅超構(gòu)透鏡的口徑還從微米口徑發(fā)展到了厘米口徑；在顏色調(diào)控上，氮化硅超構(gòu)表面也實現(xiàn)了像素級的RGB濾色；而在特殊光束生成、光致發(fā)光、光束整形等方面，氮化硅超構(gòu)表面也有了初步的研究進展。在光柵耦合器方面，由于氮化硅材料自身較低的等效折射率，氮化硅光柵耦合器在實現(xiàn)更大的耦合帶寬上具有天然的優(yōu)勢。均勻的氮化硅光柵較難獲得高的耦合效率，但通過變跡設計、底部反射鏡設計或雙層光柵設計，可以有效地提升氮化硅光柵耦合器的耦合效率。最后，本文還介紹了富硅氮化硅材料在集成光波導的非線性應用，特別是在全光波長轉(zhuǎn)換、連續(xù)光譜與頻率梳方面。由于富硅氮化硅在保持CMOS兼容性的同時擁有較大的可調(diào)控的光學非線性系數(shù)，而且無雙光子吸收，這使得富硅氮化硅在自相位調(diào)制、高次諧波產(chǎn)生等非線性應用中擁有非常大的優(yōu)勢，在低損耗、大功率、高增益非線性光學器件中具有巨大的潛力?？偟膩碚f，CMOS兼容的氮化硅材料，憑借其寬帶低損、折射率可調(diào)、非線性系數(shù)靈活等優(yōu)異的光學特性，在光學薄膜、超構(gòu)平面光學元件和集成光子器件等方面都展現(xiàn)出來優(yōu)異的性能，氮化硅基微納光子學器件具有重大的潛在應用價值。