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本文小编分享一篇文章，关于氮化硅材料在光子集成电路中的应用背景，发展历史。

另外本文不仅介绍了氮化硅材料平台的历史，和技术发展等，还重点介绍了其应用。

A. 激光器

B. 光学滤波器

C. 延迟线、真实时间延迟和光信号处理器

D. 光学频率梳生成

E. 超连续谱生成

F. 光谱传感与芯片实验室

G. 显微镜和成像

H.集成光学陀螺仪

I.量子通信

J.大型地面和太空天文望远镜的近红外光谱仪

K.激光雷达(LIDAR)

划重点：

针对氮化硅光波导--我们可以提供（四大工艺平台）

1. 热氧+LPCVD工艺+CMP+炉退火制造低损耗，低吸收Si+Sio2+Si3N4光波导基片
   

2. 热氧+PECVD工艺+CMP+炉退火制造低损耗，低吸收Si+Sio2+Si3N4光波导基片

3. 热氧+PVD工艺+CMP+炉退火制造低损耗，低吸收Si+Sio2+Si3N4光波导基片

4. 热氧+ICP-PECVD低温（250°C）工艺制造低损耗，低吸收Si+Sio2+Si3N4光波导基片

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氮化硅光子集成电路--背景，发展史

硅氮化物（Si3N4）平面波导平台已经实现了一类广泛的低损耗平面集成器件和芯片规模解决方案，其受益于在宽波长范围（400-2350 nm）上的透明度以及采用晶片规模工艺进行制造。作为硅上绝缘体（SOI）和III-V光子学的补充平台，Si3N4波导技术开启了一种新一代的片上系统应用，这是其他平台单独无法实现的。可用于处理高光功率的低损耗波导（<;1 dB/m）可以被设计用于线性和非线性光学功能，并且支持各种被动和主动构建模块为片上系统的实施开辟了新途径。随着信号带宽和数据速率的持续增加，Si3N4实现的光学电路功能和复杂性已经扩展了光学信号处理功能的实际应用范围，相比今天的数字电子解决方案，可以减少能耗、尺寸和成本。研究人员已经能够将光子集成元件的性能推到其他集成平台之外，包括超高Q谐振器、光学滤波器、高度相干激光器、光学信号处理电路、非线性光学器件、频率梳发生器和生物光子系统芯片。本综述论文涵盖了低损耗Si3N4波导技术的历史，以及对各种器件和应用的全球研究概况以及Si3N4铸造厂的现状。

光子集成电路（PICs）有望实现越来越多的应用，包括数据通信和电信[1]、[2]、生物传感[3]、定位和导航[4]、低噪声微波合成器[5]、光谱学[6]、射频（RF）信号处理[7]、量子通信[8]和原子钟[9]。新兴的片上系统应用推动了对PICs的需求，这些PICs可以在前所未有的光带宽范围内工作，从可见光波长（~400纳米）延伸到红外线之外（>2.3微米），并且提供了以前仅通过体光学技术才能实现的性能。

在本文中，我们回顾了硅氮化物（Si3N4）光子学的历史和现状，这是第三个与硅上绝缘体（SOI）光子学和III–V光子学平台在特性和性能上互补的集成平台，并且与铸造规模的工艺兼容。Si3N4 PIC技术提供了低光学衰减，从可见光到红外线之外的范围，其他平台无法实现。如今，SOI通过传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）基础设施实现了大容量的光子集成。传统的SOI光子学采用高对比度波导，形成了由硅芯心包围的氧化物包层，使光被紧密地限制在芯心中[1]。这些高度限制性的波导导致了非常紧凑的光子电路，具有小的弯曲半径和适度的波导损耗，约为0.1 dB/cm。广泛使用的III–V光子学材料磷化铟（InP）是一种铸造规模的工艺，可在电信波段提供具有光学增益和高效信号调制的波导[10]。InP在许多独立的PIC应用中被使用，并且作为SOI PIC的增益块，但存在较高的波导损耗（2至0.4 dB/cm[11]）和更大的弯曲半径，与SOI相比。

Si3N4 PIC技术提供了与SOI和III–V PICs互补的低损耗波导和构建模块。Si3N4传统上用于标准CMOS工艺中绝缘单个晶体管，被称为硅的局部氧化（LOCOS），同时也被用作离子敏感场效应晶体管（ISFETs）中的栅极材料[12]。光波导采用Si3N4的核心层嵌入周围的二氧化硅（SiO2）包层材料。包层在1.55微米波长处的折射率（SiO2为1.98）和核心（Si3N4为1.45）允许设计从低对比度到高对比度波导，波导在从~400到-2350 nm范围内的传播损耗低至0.3 dB/m至1.0 dB/cm。一般来说，波导损耗和最小弯曲半径是基于所需性能、占地面积和光功率密度的设计权衡，并且对于每个集成平台都有所不同。图1总结了Si3N4、SOI和InP波导的波导传播损耗、最小弯曲半径和波长操作范围的已发布数据[13]–[15]。

图1。已发表的Si3N4、SOI和InP波导的弯曲半径、传播损耗和透明窗口。

二、Si3N4集成光子学的历史

自20世纪70年代末以来，Si3N4波导就引起了人们的兴趣，已有几篇历史总结文章，包括Munoz等人的一篇邀请文章[16]，以及最近IEEE量子电子学选定领域杂志（IEEE JSTQE）特刊上关于超低损耗平面波导及其应用的几篇文章[17]。早期探索Si3N4光子电路的动机是建立在硅衬底上的平台，利用兼容的硅加工技术，并解决硅吸收波长的应用[朝红外(IR)短波段转变为可见光]。如今，出现了大量的应用，利用这个第三个晶片规模的平台来补充SOI和III–V波导技术的能力。

A. 早期工作

早期的工作集中在制备引导632纳米光的薄膜平板波导上[18]，[19]，并采用在硅衬底上形成的硅氮化物核心和二氧化硅下包层。这些结构是通过在硅衬底上热氧化硅来形成下包层波导层，随后在其上沉积Si3N4作为波导核心层而形成的。与今天一样，热氧化的二氧化硅下包层厚度必须足够（在几微米至15微米范围内）以最小化硅衬底中的吸收，并且取决于光波导的限制。热氧化的二氧化硅仍然是基于氧化物的最低损耗包层材料之一，因为原始高质量硅衬底的表面粗糙度低，且材料和生长过程中没有氢气。高折射率波导核心使用沉积技术（如化学气相沉积(CVD)）形成，随后进行图案化和蚀刻步骤以形成通道波导。早期的器件采用空气上包层设计，随后通过上包层氧化物沉积的后续进展来减少由表面粗糙度和光刻引起的波导散射和材料光吸收所主导的损耗。

报道的第一个硅氮化物/二氧化硅（Si3N4/SiO2）波导之一是单模通道波导[20]，其传播损耗为1-2 dB/cm。这些早期阶段的损耗与今天的最先进的SOI波导损耗相比（约为0.3 dB/cm）[21]和光纤0.4160 dB/km的记录损耗[22]相当。努力集中于通过减小核心和上包层材料密度的变化以及光刻和蚀刻引起的波导粗糙度来减小损耗。在沉积后采用热退火技术来驱除吸收杂质。结合改进的CVD过程，当时实现了创纪录的低损耗（0.1 dB/cm）。高温热退火导致沉积薄膜的致密化，并减少了在CVD过程中形成的不需要的材料团簇引起的光散射。1987年，Henry等人报道了通信波段（1.3-1.6微米）中低于0.3 dB/cm的损耗[23]。这些波导被设计成具有密集限制的光模式，以实现与埋藏式异质结半导体激光器的低损耗耦合。由于氢（H）基吸收峰在1.52微米（在Si3N4核心中）和1.40微米（在SiO2包层中）处，电信波段中的损耗被确定为分别贡献了1.2和2.2 dB/cm。

1993年，报道了第一个设计用于高灵敏度免疫传感的Si3N4 PIC的制造[24]。蛋白质的存在检测发生在波导包层的蚀刻部分，其中暴露的光学核心中的模式受到了测试材料的影响。片上低损耗可见光波长传感干涉仪展示了新兴Si3N4 PIC工艺的能力。到了1990年代末，与氮化物相关的氧化硅氮（SiOxNy）[25]，[26]的材料的工艺和器件开发进一步推动了氮化物作为整体的器件设计和工艺能力的发展。展示了一系列1550纳米通信设备，包括滤波器、偏振分束器、光纤到波导模式变换器、可调光学添加/丢弃复用器、热控光开关和总线耦合环共振器。

1993年，报道了第一个设计用于高灵敏度免疫传感的Si3N4 PIC的制造[24]。蛋白质的存在检测发生在波导包层的蚀刻部分，其中暴露的光学核心中的模式受到了测试材料的影响。片上低损耗可见光波长传感干涉仪展示了新兴Si3N4 PIC工艺的能力。到了1990年代末，与氮化物相关的氧化硅氮（SiOxNy）[25]，[26]的材料的工艺和器件开发进一步推动了氮化物作为整体的器件设计和工艺能力的发展。展示了一系列1550纳米通信设备，包括滤波器、偏振分束器、光纤到波导模式变换器、可调光学添加/丢弃复用器、热控光开关和总线耦合环共振器。

B. 追求超低损耗

2003年，美国国防高级研究计划局（DARPA）建立了光域网络数据（DOD-N）研究计划，以推进集成光学分组路由PIC技术。UCSB的LASOR项目是在这个计划下资助的，旨在展示基于光子芯片的全光分组路由器[27]，[28]。使用混合集成的InP、SOI和二氧化硅波导芯片开发了用于分组同步、缓冲和交换的PIC[29]。光分组缓冲器被设计用于存储数据包，就像电子路由器中一样。缓冲器使用InP 2×2光开关将数据包引导到二氧化硅波导延迟线内[30]，但延迟线和InP到二氧化硅波导的耦合损耗限制了存储至少少于十个数据包循环。在2009年，DARPA建立了iPHOD计划，以解决芯片内的损耗，并为一系列应用提供紧凑、低成本、高效能、高功率处理的波导技术，包括RF微波光子链接[31]、[32]、使用可切换光延迟线进行真实时延天线波束引导[33]、以及光陀螺仪[34]以及数据包存储。iPHOD的主要目标是将芯片内波导传播损耗降低到每米0.01 dB/m，在25米的长度上，比以前实现的数量级更低。UCSB的iPHOD努力与LioniX合作，在20米长的波导螺旋延迟线中，实现了1580纳米处0.045 dB/m的最低记录损耗[35]。具有40纳米Si3N4厚核心的高纵横比Si3N4核心最小化了侧壁散射。在蚀刻的波导上沉积了一层薄的LPCVD，并使用化学机械抛光（CMP）将其平整化。通过晶片键合上的热氧化物上包层层减少了与沉积氧化物薄膜相关的吸收损耗和其他损耗机制[36]，[35]。这些波导支持高光功率，并且产生非常小的诱导非线性光学相移[37]，以及高度选择性的单模横电（TE）极化传播（相对于TE的75 dB横磁损耗）[38]。然而，上包层键合方法限制了器件和PIC的类型，增加了制造复杂性并降低了产量。如今，低损耗波导采用四乙氧基硅烷前体等离子体增强化学气相沉积（TEOS–PECVD）上包层氧化物沉积，导致损耗在0.3 dB/m左右[14]。

C. 提高电路密度和光非线性

为了制造紧凑的Si3N4器件[39]，[40]并增加模式束缚以进行高效的光非线性相互作用，研究人员开发了厚氮化物波导（600纳米至6.5微米）技术和加工技术。挑战在于克服由厚氮化物薄膜诱导的应力导致的开裂问题。MESA+纳米技术研究所采用反转槽设计制造了厚度高达900纳米的波导[41]，而EPFL的Kippenberg小组开发了光子达马斯克工艺[42]，用于核心厚度高达1.35微米。Lipson小组推进了一种两步氮化物沉积技术，其中机械隔离沟渠被用于具有910纳米核心厚度的波导，以制造一个具有七百万Q值的谐振器[43]。厚氮化物波导技术的进步继续将损耗不断降低。

D. 从实验室到铸造厂

多个商业铸造平台已经发展，包括LioniX的TriPleX [44]、Ligentec的达马斯克[45]、IMEC的BioPIX [46]以及IMEB-CNM [47]工艺。中等光学模式束缚的Si3N4波导的商业化始于20世纪80年代和90年代初期，是由荷兰的特文特大学的研究转变而来的。两项工作同时转变，一是PECVD SiOxNy [48]，[49]，另一项是LPCVD Si3N4。当时的波导几何形状适用于传感应用[50]，因为与LPCVD Si3N4相关的固有最大厚度约为300纳米。20世纪90年代后期的技术发展[39]导致了LioniX的成立（2001年）和TriPleX平台的商业化（2003年）。TriPleX技术采用多层结构的方法，以克服单层300纳米厚Si3N4层的限制[40]。2016年，Ligentec商业化了一种根据光子达马斯克工艺[42]定制的波导几何形状，这是来自EPFL的Kippenberg小组的衍生技术。达马斯克波导设计提供了强大的光学束缚，核心厚度高达6.5微米，适用于高度紧凑和非线性光学应用，包括紧凑型Kerr频组产生谐振器[51]。如今，IMEC使用PECVD氮化物制造器件，以使该过程保持在他们的CMOS生产线中，展示了与CMOS兼容的铸造工艺的好处。

第三部分：Si3N4技术和平台

目前使用三种类型的波导，其核心几何形状和制造工艺各有不同。图2展示了对称双条纹（DS）、非对称双条纹（ADS）和方形、以及埋藏波导的波导横截面几何形状和扫描电子显微镜图像。单条纹和双条纹几何形状是TriPleX铸造平台的一部分[13]，[52]，并且被用于加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）开发的超低损耗波导[53]。埋藏设计是TriPleX和光子达马斯克铸造工艺的一部分。波导是在极度平坦的衬底上制造的，通常是单晶硅，在某些应用中，需要在可见光区域透明度时，使用熔融石英玻璃衬底。条纹波导几何形状由SiO2包层层和Si3N4核心层的交替层叠组成。有关TriPleX和达马斯克平台的制造过程的更多详细信息，请参阅[52]和[54]。

图2。Si3N4波导类型、横截面和扫描电子显微镜照片：（a）单条纹；（b）包括双条纹（DS）和不对称双条纹（ADS和盒形）的多层结构；以及（c）埋藏波导[13]。

典型的PIC构建模块通常包含直线和曲线波导部分，其中波导传播损耗和最小弯曲半径之间的权衡是一个重要考虑因素。Si3N4核心厚度、波导宽度和波导弯曲半径构成了一个设计空间，方便地使用环形谐振器品质因子（Q）进行说明，如图3（a）所示。随着核心厚度的增加，波导损耗、谐振器Q和自由光谱范围（FSR）会发生变化。直线和大到中等半径的波导损耗主要受核心侧壁散射影响。当弯曲半径降低到临界值以下时，弯曲损耗会占主导地位。可以看到，对于固定的波导宽度和给定的核心厚度，设计的弯曲在临界半径以上设置了更低的损耗，如图3（b）所示。当需要具有较小FSR和高Q的谐振器时，会选择薄核心和小弯曲半径，如图3（a）的左侧所示。增加核心厚度会产生更加集中的光学模式，并适用于具有较小弯曲半径、可以容纳较大FSR和较低Q的设计，如图3（a）的极右侧所示。图3（c）说明了对于100纳米厚核心，损耗随核心宽度的变化情况[55]。当光学模式直径近似等于核心宽度时，波导处于高束缚区域。随着核心宽度的减小，光学模式直径迅速增长，并进入挤压区域。PIC设计者可以通过在弯曲损耗受限制和散射损耗受限制的设计区域之间移动，选择损耗及其对设备占地面积的敏感性，如图3（d）所示[56]。

图3。弱导和中等导光高纵横比Si3N4波导。(a) 核心厚度、损耗、FSR和最小弯曲半径之间的权衡。经过许可从[14]重新印刷，Ⓒ IEEE 2018年。(b) 不同核心厚度的临界弯曲半径。经过许可从[55]重新印刷，Ⓒ OSA 2011年。(c) 模式束缚作为核心宽度的函数。经过许可从[55]重新印刷，Ⓒ OSA 2011年。(d) 通过在弯曲损耗受限和散射损耗受限的设计区域之间移动，通过选择适当的核心厚度，对设备占地面积的敏感性[56]。

厚度较小的核心谐振器采用粘合的上包层已被用于制造比其单模式对应物更低损耗的双模波导，从而产生高达4200万的载荷Q和约0.3 dB/m的传播损耗[57]。已经演示了具有高达3000万的Q值和约0.5 dB/m的传播损耗的单模式波导谐振器[14]。可以选择更厚的核心设计以获得更紧凑的结构，例如，三阶滤波器的载荷Q约为200万，传播损耗约为17 dB/m，半径约为0.3 mm[14]。一个重要的量是模场面积（MFA），定义为光功率降到最大强度的1/e^2。对于40 nm核心设计，MFA大约为28 μm^2，而对于175 nm核心，MFA大约为4.5 μm^2。在需要低损耗和高光功率处理而不引起非线性相移的情况下，使用大的MFA[37]。表1总结了Si3N4中不同类型波导及其一般用途与示例参考文献。

表1 Si3N4波导类型

第四部分：集成构建模块和工艺设计工具包（PDK）

Si3N4平台实现了各种各样的构建模块，包括弯曲、交叉、增益模块和定向耦合器[52]，[59]。构建模块的示例总结如表2所示，可以用于实现更高级的光子功能和电路，包括点尺寸转换器、热和应力光学致动器，以及光信号过滤器和光学谐振器。

表2 Si3N4构建模块，用于形成更高级的光子功能和电路

由于Si3N4光子学已经达到了晶片级加工的稳定性，设计人员可以从已保证的构建模块中选择功能元件，而无需了解加工细节，并将这些模块组装成更高级的功能和电路。工艺设计工具包（PDK）是一组（数字）文件，用于描述和模拟在设计PIC时使用的加工过程。PDK是由晶圆厂创建的，并传递给最终用户在设计过程中使用，后者又使用PDK来设计、模拟、绘制和验证设计。完成的设计被传回晶圆厂生产芯片。当今的Si3N4晶圆厂支持广泛的光学设计软件，提供了几种PDK，涵盖了从电路设计到光波传播的不同级别。这些PDK的可用性是Si3N4光子学已经在多个晶圆厂达到成熟状态的一个良好指标。

第五部分：功能和应用

应用范围从可见光波长范围延伸到中红外（MIR），涵盖了从通信、感知到生物光子学等各种领域。在本节中，我们将覆盖从红外（IR）到中红外（MIR）、近红外（NIR）和可见光的示例。

红外范围（1.0–2.3 μm）利用了Si3N4的透明性和低损耗以及与SOI和InP的共封装能力。应用包括激光器、光学滤波器、延迟线、真实时间延迟、光信号处理器和光频率梳生成器。虽然这些组件主要是在红外中进行演示的，但可以通过波导几何调整和更换源和探测器来将其迁移到可见光和近红外波段。

在可见光（400–700 nm）和近红外（700–1000 nm）波段，Si3N4可以补充SOI光子学的能力。应用包括感知和光谱学、原子物理学、量子通信和计算、显微学、生物光子学和天文学。便携式和远程感应应用可以利用芯片尺度的化学和生物传感器集成。其他可见光和近红外应用包括激光雷达、自由空间通信、基于激光的显示和视觉应用。受到越来越多关注的两个领域是生物光子学传感、光谱学传感和化学传感。生物光子学传感用于测量和成像生物系统中的光学过程，包括细胞和组织。光谱学传感允许进行无需指定细胞类型和不用标记细胞的测量，以便对活细胞进行表征。化学传感包括检测环境大气中无标记气体，如CO2和挥发性有机化合物。Si3N4光子学有望将这些应用带入“芯片上的实验室”水平。

A. 激光器

Si3N4平台提供了多种实现芯片上高性能激光器的方法，通过宽波长透明度和合适的泵浦光源或增益材料，可以实现从可见光到红外的发射。Si3N4激光器分为三类：外腔谐振器，带有半导体增益块的混合体附加或粘合到Si3N4光子集成电路上，光泵浦的稀土离子或量子点与增益材料融入Si3N4导光区域，以及布里渊和拉曼等散射过程。光质量，以相干性（或线宽）和相对强度噪声（RIN）等参数来衡量，以及其他参数包括输出功率、波长、波长调谐范围驱动和功耗驱动，这些都影响设计的选择。低损耗的Si3N4腔体使激光设计者能够在极高Q值谐振器或长芯片腔体中存储许多光子。

传统的外腔激光器结合半导体光放大器（SOA）增益块与外部高Q离散元件（如光纤布拉格光栅FBG）以实现具有15-Hz基本线宽的可调谐源[81]。这种性能水平有望通过Si3N4高Q谐振器或长侧壁刻蚀光栅移至芯片上。利用InP增益块耦合到高Q Si3N4微环谐振器（MRR）外部激光器镜片，演示了一个紧凑的混合激光器，其整体线宽为13 kHz [82]。这种方法的变体，如图4所示，结合了具有长光子寿命的Si3N4 MRR调谐段，可实现可调波长输出和小于300 Hz的基本线宽 [83]。

图4.一种InP-Si3N4混合外腔激光器。(a) 主要组件：基于InP的增益区段（SOA）连接到Si3N4平台上的可调谐镜。(b) 装配好的器件，见[84]。Ⓒ Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 已获得许可，转载。

掺铒光纤激光器和放大器的性能可以通过将Si3N4波导的低损耗与长、低卡帕的侧壁光栅滤波器作为镜子和铒离子作为增益介质相结合，转移到芯片上。与基于半导体的混合Si3N4激光器相比，掺有稀土离子的激光器具有相对更窄的激光线宽（约为3 kHz积分），更高的温度稳定度和较低的激光噪声，与其光纤对应物相比 [85]。使用共溅射铒离子（Er3+）和氧化铝（Al2O3:Er3+）作为活性层，在侧壁刻蚀Si3N4波导上制作了低线宽的WDM分布式布拉格反射器（DBR）和分布反馈（DFB）激光器阵列 [71]-[73]。这些激光器表现出典型的铒掺杂激光器的高温稳定性，可达400°C，并且性能降解最小 [86]。这些器件仅需要对氮化物核心进行单次光刻和蚀刻步骤，以定义布拉格镜，如图5(a)中的扫描电镜图像所示。使用CMOS深紫外（DUV）光刻制造WDM激光器阵列，通过调整光栅周期Λ制造WDM激光器阵列 [图5(b)]。图5(c)中的光谱跟踪显示出宽波长范围内的发射和良好定义的波长。

图5。

掺铒氧化铝（Al2O3:Er3+）Si3N4波导激光器。（a）侧壁刻蚀的DBR和DFB波导核的SEM图像。转载自[72]，Ⓒ OSA 2014。（b）来自[75]的单片式WDM激光器阵列。（c）光谱输出。转载自[72]，Ⓒ OSA 2014。发射波长为630 nm的微激光器利用两个Si3N4谐振器层之间形成的胶体量子点，并与Si3N4波导耦合 [77]。该微盘激光器由SiO2硅基下包层上的胶体量子点组成的Si3N4微盘组成。然后，微盘与Si3N4波导母线垂直耦合，并进行光泵，如图6(a)所示。阈下和阈上的发光光致发光（PL）[图6(b)]以及光泵功率与激光母线输出功率之间的关系表明激光阈值 [图6(c)]。

图6。光泵激发可见光发射的胶体量子点Si3N4激光器。 (a) 激光器几何结构。 (b) 光致发光（PL）在激射以下和以上的发射光谱，观察到630 nm的激射。 (c) 光泵功率与PL之间的关系表明激射阈值。 转载自[77]，Ⓒ OSA 2016。

B. 光学滤波器

光学滤波器用于选择在光纤上传输的频率，塑造传输和接收信号的光谱或时间内容，优化光信噪比（OSNR），并对数字和模拟光信号执行信号处理功能。微波光子学（MWPs）涉及通过光纤和自由空间光学传输射频（~300 kHz–300 GHz）和微波（~300 MHz–300 GHz）信号[31]，[87]。MWP设备和系统面临传输高保真度模拟信号的独特挑战，包括线性度，OSNR和功率处理[88]。集成微波光子学（IMWPs）[89]是一个极具兴趣的领域，因为需要降低成本和重量，同时保持高性能，以应用于下一代光纤无线电和下一代5G移动网络的相控天线阵列等应用。

广泛使用的滤波器设计是耦合谐振光波导（CROW）结构，其中光通过弱耦合的高Q光腔链传播[90]。CROW结构可用于频率过滤，光传输，光延迟线和光非线性相互作用。第一个Si3N4类光波导中的CROW滤波器是在SiOxNy波导中演示的[91]。实现了100和50 GHz FSR设计，7.4 GHz带宽和4.4 dB插入损耗的极化无关消光比为15 dB。 低损耗Si3N4总线耦合的三共振器CROW滤波器，如图7（a）所示，采用低损耗的175 nm厚核心和600 μm直径谐振器[14]制造。该三阶滤波器表现出超高的80 dB消光比（ER），低插入损耗（<1.3 dB）和平坦的通带[图7（b）]。滤波器中心频率通过位于三个环中的热调节元件在完整的48 GHz FSR [图7（c）]上进行调谐。图7（d）显示了制作完成的器件的光学显微镜照片。具有此级别的ER和滤波器形状性能的滤波器可用于广泛的应用，包括在布里渊，四波混频（FWM），二阶非线性发生，光谱学和射频光子学中的泵浦信号分离。

图7。

(a) 低损耗可调三阶CROW滤波器示意图。

(b) 测得的80 dB消光比。

(c) 滤波器在完整FSR范围内的调谐。

(d) 制作的滤波器的光学显微图。

图中的内容转载自[14]，Ⓒ OSA 2018。

滤波器通道化被用于射频光子学和波分复用光通信中，用于调节单个通道的带宽，除了中心频率调谐外，还增加了电路复杂性以及设备和波导的损耗和线性要求。通道化被用于设置转发器的带宽，以在放大之前分离通道，并控制相邻通道的干扰。Si3N4，以其低损耗元素，为大型、复杂、可调谐的芯片级通道化器提供了一种解决方案，这在其他技术中很难制造。在TriPleX平台上制作的基于CROW的带通滤波器能够在频分子载波卫星通信系统中选择一个通道 [92]。基本功能电路如图8(a)所示。每个谐振器上的热调谐相移器与热调谐功率耦合器相结合，以实现任意滤波器编程。除了在整个FSR上对中心频率进行调整外，还可以进行小至几十兆赫兹的可调通道带宽。例如，Ku波段输入复用器（IMUX）需要的频段为10.7至12.75 GHz，通道带宽范围为27至95 MHz。图8(b)显示了由第八阶耦合环谐振器网络组成的三维布局，FSR为1.4 GHz，在两者之间有一高频率选择性的光学滤波器，其中包括光载波旁边的解复用器和一个多路复用器 [93]。实际芯片的光学显微图和两个通道的实验功率传输，显示了72 MHz的通带，如图8(c)和(d)所示。

Fig. 8.

用于子载波卫星通信系统的光通道化器。(a) 功能电路设计。(b) 三维芯片布局。(c) 红光激光照明下的光学显微图。(d) 测量的通道化器传输输出功率。重印自[52]，Ⓒ IEEE 2018。

使用低损耗可调滤波器阵列可以制造通用可编程RF滤波器网络，实现在同一芯片上多个动态配置的复杂滤波器功能。Si3N4可编程马赫-曾德（MZ）耦合器阵列可以相互连接，以实现多种滤波器类型（例如FIR和IIR）[94]。相互连接的MZ耦合器的2-D晶格网格网络，如图9(a)所示，使用热相位调节元件来配置每个MZ耦合器作为2×2耦合器或光开关。每个MZ元素同时控制其光输出的光振幅和相位。电路参数的范围（电路中每个光路径的幅度和相位）可以在同一芯片上实现多个同时可编程滤波器功能，例如陷波和带通滤波器、希尔伯特变换和可调延迟线，如图9(b)所示。

Fig. 9.

(a) 基于相互连接的Si3N4环形总线谐振器滤波器和可调MZ耦合器的2-D阵列的可编程复杂滤波器结构。(b) 通过将阵列的两个单元编程为关联配置实现的可编程滤波器功能示例。重印自[94]，Ⓒ OSA 2015。

C. 延迟线、真实时间延迟和光信号处理器

光延迟线在各种应用中都是理想的选择，包括射频和数字滤波、光束成形、光信号处理、信息编码、数字数据存储和同步器、脉冲整形等，并且相比数字电子对应物，具有大幅度的功率节省潜力。延迟线分为两种类型，即谐振和非谐振，可以独立使用或结合使用。非谐振延迟用于射频和模拟功能，如横向和FIR滤波器、IIR滤波器和其他离散时间信号处理器 [95]。离散延迟线适用于类似横向和格栅滤波器的前馈结构，并与光开关结合使用作为再循环延迟和存储元件。宽带Si3N4延迟提供离散的中等到大型延迟，单个芯片上可达250 ns（长度可达数十米）。谐振延迟线比非谐振延迟线更紧凑，可连续调谐在细到中等延迟范围内（例如，皮秒到纳秒级）。然而，用于延迟的谐振通常仅支持窄带信号，而且谐振必须受到严格控制。基于光环谐振器（ORR）的延迟 [96] 可通过调整总线到环的耦合比来调节，如图10(a)所示。这些全通结构通常在最大延迟量和信号带宽之间进行权衡。群延迟的模拟 [图10(b)] 显示了信号带宽为500 MHz时的最大延迟为1.2 ns。

Fig. 10.(a) 三级环形谐振器滤波器的示意布局。(b) 计算得到的归一化群延迟响应。粗线表示细线（单级响应）的总和（三级响应）。[96]  

非谐振的Si3N4波导提供每米约12.5纳秒的延迟。使用螺旋配置的线圈（螺旋）在单层芯片上制造长达25米的延迟线，延迟为250纳秒。低损耗的线圈采用40纳米的芯和10毫米的最小弯曲半径在大面积（2厘米×2厘米）芯片上制造[97]。大面积和加工的均匀性需要诸如大面积深紫外（DUV）光刻等技术。单层线圈设计利用多个转弯和90°交叉，以实现输入和输出波导的接入。图11(a)显示了使用红色激光光照射的具有25个转弯和50个交叉的单层3米线圈，测得的波导损耗为0.78 dB/m，交叉损耗为0.0156 dB/交叉[97]。

图11。

利用极低损耗的90°交叉点，允许接入输入和输出的单层多圈线圈。显示的是一张红光照射的大面积3米长的线圈，有25个圈和50个交叉点。转载自[97]，Ⓒ IEEE 2017。

用于相控阵天线的光束形成网络（OBFN）是Si3N4 PIC的另一个高影响应用。这些系统需要宽带、连续幅度和阵列元件延迟可调性，可扩展到大量元件阵列。低传播损耗与高线性功率处理相结合对于IMWP OBFN解决方案至关重要。一个示例芯片使用谐振Si3N4 ORR作为相控阵天线系统的连续可调延迟元件，用于移动宽带卫星通信，具有16个输入，4.5 GHz的光带宽和最大延迟290 ps[58]。这种性能水平相当于一个16×1的二叉树组合电路，对称插入40个基于ORR的延迟线，一个使用两个ORR的非对称MZI的光侧带滤波器（OSBF），以及一个光载波重新插入耦合器。图12(a)和(b)显示了波束形成器架构的示意图和芯片布局掩模。

Fig. 12.光波束形成网络 PIC。(a) 16×1 OBFN 芯片的示意图。(b) 芯片掩膜布局。转载自[98]，Ⓒ OSA 2013。

更大的真实时间延迟，用于相控阵雷达和其他射频应用，可以使用非谐振延迟线结合光开关来制造[99]。图13显示了4位可调延迟布局和一张红激光照射的加工芯片的照片。实验中展示了长达12.35 ns，分辨率为0.85 ns 的时间延迟，总传播长度为2.407 米。

Fig. 13.适用于宽带相控阵天线应用的4位可调延迟，分辨率为0.85 ns，总延迟为12.35 ns。转载自[99]，Ⓒ IEEE 2013。

Si3N4可编程光晶格滤波器利用了制造许多低损耗离散延迟级联的能力，配合可调光耦合器，提供了一种低功耗、低成本的替代高带宽数字处理的方法。可编程的十阶晶格滤波器采用了级联的非对称马赫-曾德干涉仪（aMZIs），其FSR与WDM通道间隔相匹配，允许同时为多个光通道进行色散补偿[100]，[101]。晶格滤波器采用了21个级联的aMZIs，实现了一个十级可编程的十阶晶格滤波器[图14(a)]。aMZIs 中的一个分支通过热调节。时间延迟被选择为单位延迟ΔL的整数倍，使滤波器在时间域离散，在频域周期性。频率周期性选择为WDM传输系统中的通道间隔。该滤波器可以同时对多个WDM通道进行色散补偿，结合低损耗的优势，比高损耗的大体积色散补偿光纤（DCF）和基于数字信号处理器（DSP）的节省功率更有优势[102]。制造的芯片占地面积为2.23 cm2，使用延迟ΔL= 2 mm [图14(b)]，具有连续调谐色散的能力，每个通道在100 GHz 网格上有一个单一设备。一个通道的传输和群延迟调谐曲线如图14(c)所示。

Fig. 14.

(a) 21级级联可调aMZIs的可编程十阶晶格滤波器配置。(b) 制造芯片的照片。(c) 一个通道的传输和群延迟调谐曲线。由[101]许可转载 Ⓒ OSA 2016。

D. 光学频率梳生成

Si3N4光学频率梳生成器在可见光、近红外线和中红外线波段提供了一个单一的多个良好定义、等间隔频率的源，频率范围极为广泛（例如，70 THz）。频率梳生成器是替代大型功耗WDM激光器阵列用于高容量光纤通信系统的一种吸引人的解决方案。其他应用包括光谱频率生成、激光传感、波形合成、光学计量和光学频率参考。早期的频率梳生成器采用了离散元件锁模激光器（MLLs）和反馈稳定技术构建。芯片级的梳状设计包括锁模激光器（MLLs）、高速相位调制器、增益开关梳状源（GSCS）和微腔Kerr频率梳[51]，[107]。Si3N4 Kerr微腔频率梳具有宽阔的梳状间距（>100 GHz）的优势，其他梳状技术难以实现。Kerr微腔具有极其均匀的模式间距和高度稳定性。早期的频率梳生成器采用硅[108]和二氧化硅[51]制造。这些概念迁移到Si3N4谐振器技术，实现了在可见光和近中红外范围内的梳状产生。

图15。(a) 基于退化和级联非退化FWM的谐振器梳状发生原理。转载自[107]，Ⓒ AAAS 2011。

(b) 稳定、均匀、高度相干的输出，3 dB带宽为6 THz，覆盖了C波段和L波段。由许可转载：自然出版社有限公司：自然5(46)，274-9 (2017) [110]。

(c) 以每秒数万亿比特的速率传输的芯片尺寸发射机的艺术描绘，带有Si3N4梳状发生器和硅光子多通道WDM调制器。由许可转载：自然出版社有限公司：Nat. Phot. 8, 375-80 (2014) [111]。

E. 超连续谱生成

超宽带光谱可以通过超连续谱生成（SCG）获得，用于生物光子学、光学相干断层扫描、相干光谱学和频率计量等应用。特别感兴趣的是将SCG扩展到可见范围。早期在集成Si3N4波导中的SCG研究使用1.3μm的超短脉冲在4.3厘米长的波导[113]和1.5μm在1.4厘米长的波导[114]中生成边缘可见范围的光谱，分别为665-2025nm和70-2400nm。将SCG生成扩展到可见光向蓝色范围（488-978nm）后来通过使用1厘米长的Si3N4光子波导实现，其输出光谱带宽为310 THz[115]。为了在芯片上获得较短波长的超连续谱，需要更短波长的泵光以及适合更短泵光波长的色散。这个原理被用来展示当时最宽的SCG输出[41]，从可见光（470nm）到红外光谱范围（2130nm）。如图16(a)和(b)中的光谱和光谱仪输出所示，输出包含比495 THz更宽的光谱带宽。在紧凑的Si3N4波导中进行高效能的八度扩展SCG的能力也使得自我参考的、精密稳定的低噪声频率梳成为可能，这在前面的部分中已经讨论过，它们不需要极度稳定的光学参考[116]，[117]。一项记录性的两个八度跨越的SCG使用了在电信波长下泵浦的化学计量Si3N4波导[118]，产生了从可见光（约526 nm）到MIR（> 2.6μm）的扩展SCG生成。

图16.在一根长为5.5毫米的Si3N4波导中产生的超连续光谱。(a) 光谱范围从470到2130纳米，超过495 THz。(b) 光谱输出的照片。转载自[41]，Ⓒ OSA 2015.

F. 光谱传感与芯片实验室

对于便携式光谱应用，将当今的盒子大小设备转移到“芯片实验室”至关重要。需要在芯片上组合的构建模块包括光源、样品传感器以及具有光谱选择性的光学元件和光电探测器。光谱系统使用吸收、发射或散射方法（例如拉曼效应）来检测生物和化学样品中包含的信息并进行分析。

在吸收光谱学中，使用宽带光源或波长可调激光来探测样品，然后通过光电探测器结合色散光学元件（例如棱镜、阵列波导光栅复用器（AWG）或并行或可调光学滤波器）来分析传输光谱。覆盖400-1700纳米波长范围需要三种AWG设计，分别在可见光（VIS）（400-700纳米）、近红外（NIR）（700-1000纳米）和中红外（MIR）（1000-1700纳米）波段操作。图17显示了VIS AWG输出的图像，该输出通过一根宽带超连续激光光纤耦合到输入端。

Fig. 17.用于组织感测应用的Si3N4光子光谱仪。显示了可见光波段AWG的成像输出。转载自[119]，Ⓒ IEEE 2017.

许多应用需要对流体和气体进行分析，需要测量材料与光波导之间的相互作用。这些芯片被称为微光学流体系统（MOFSs），它们利用光控制流体流动或利用流体流动引导光，在微米尺度上也用于分析和分选颗粒和细胞[121]。光与被测材料之间的相互作用通过波导的余尾场或折射率传感实现。余尾场传感涉及将波导顶部包层局部去除，使光场与环境接触。早期的Si3N4研究[24]和最近的研究[80]，[122]是这种方法的例子。基于折射率的传感是一种另类方法，涉及通过波导核心腔道刻蚀槽或通道，以作为流体传感通道来携带材料。例子包括Si3N4槽波导[123]、槽式总线耦合环形谐振器[124]以及用于捕获和分析光粒子的全槽。使用光学干涉或谐振结构进行传感，如总线耦合环形谐振器或MZI，可以增强传感器的灵敏度，但会降低测量带宽。

图18(a)示意了一个余尾场光流体传感器，其中SiO2光波导包层被刻蚀至Si3N4核心。在感测窗口上形成了一个流体通道，并在顶部结合了一个次级流体覆盖晶片。气体或液体通过波导样品窗口，并与光模的余尾发生相互作用，该余尾主要被限制在Si3N4核心中[图18(b)]。将余尾场光流体传感器窗口（在虚线椭圆区域中显示）制作成Si3N4总线耦合环形谐振器的示意图如图18(c)所示。

Fig. 18.(a) 光信号沿光平面波导传播的示意剖面图[13]。(b) 光余尾与传感窗口的相互作用[13]。(c) 余尾光流体传感器集成到Si3N4总线耦合环形谐振器中的示意图[125]。

在拉曼光谱学中，照射到样品上的激光光被分子振动引起的能量散射和频率移位，产生样品的“指纹”[126]。拉曼光谱学面临的挑战之一是在拉曼光谱中建立足够的信噪比（SNR）。像拉曼夹持光谱学这样的技术已经被开发出来，以解决这个问题，通过在分析期间保持粒子。在拉曼夹持光谱学中，激光探测光也用于通过光夹持固定粒子。使用双波导配置制造了用于拉曼夹持光谱学的集成光子Si3N4 PIC，工作波长为λ=785 nm [6]。波导是图19(a)和(b)中显示的TripleX盒波导，引导光模式如图19(c)所示。该器件制造为波导、50/50 Y-分路器和一个环路的组合[图19(d)]。为了创建夹持几何形状，通过干法刻蚀依次穿过上层包层（SiO2）、波导和下层包层（SiO2），在环路中打开了一个间隙[图19(e)]。通过这种方式，在单个步骤中形成了一个集成流体通道和两个多面体波导，从中向通道中发射逆向传播光束。夹持是由横向和平行于光束的力共同决定的，共同确定了粒子在夹持中的位置。使用异质集成硅光子/III-V激光器和波长分阵列波导光栅光谱仪[127]可以在Si3N4平台上实现光源的集成，以在MIR、NIR和可见光范围内运行。

Fig. 19.

(a) 梯形盒形Si3N4波导设计。(b) 横截面扫描电子显微镜图片和 (c) 波导中最低TE模的模式剖面。(d) 拉曼夹持的显微镜图像。(e) 设备中心区域的显微镜图像。由[128]许可转载，Ⓒ OSA 2014.

G. 显微镜和成像

在显微镜和显示及投影等应用中，需要结合多个可见激光线。在荧光检测中使用两到八个激光线来成像或区分亚波长尺寸的结构。例如，在超分辨显微镜中，高端激光器通常在405、488、562和638 nm的典型荧光线上使用。这些波长可以使用集成激光束合并器（ILBC）[129]组合到一个单模光纤[130]中，并由几个波长相关的组件构建，例如总线耦合谐振腔、Mach-Zehnder干涉仪和阵列波导光栅[131]。图20中的激光束合并器显示了Si3N4合并器、四个可见波长激光二极管和10×10厘米区域内的耦合光学[132]。已经使用Si3N4的其他成像应用包括光学相干断层扫描（OCT）用于生物结构的非侵入式三维成像[133]。

Fig. 20.

集成激光束合并器的照片，用于多波长光源，来源于[132]。图片由[84]转载，Ⓒ Wiley-VCH Verlag GmbH＆Co. KGaA。获得许可后再版。

H. 其他应用

许多其他应用都有望受益于Si3N4光子学的特性和性能，其中包括集成光学陀螺仪[134]，[135]，量子通信[8]，[136]，大型地面和太空天文望远镜的近红外光谱仪[137]以及激光雷达(LIDAR)[138]。

第六节 讨论与未来展望

在本文中，我们回顾了硅氮化物(Si3N4)平面波导平台的历史和背景。当与SOI和III–V器件结合使用时，这三个平台共同开启了一个全新的应用和片上系统时代。低光学损耗，从可见光到中远红外的透明度，与CMOS和晶圆级工厂流程的兼容性，以及高功率处理能力是该系统的关键特性之一。

在单个平台内可能的广泛设计参数空间，使设计人员能够访问线性和非线性PIC。该技术提供了广泛的构建模块，包括超高Q谐振器，超窄可调滤波器，窄线宽和可调激光器，可调模拟射频和光信号处理电路，以及真实时间延迟。从可见光到红外的光学透明度和低损耗将使各种应用受益，包括光惯性旋转传感器，微波合成器，量子通信，生物光子学和纳米粒子分析应用。

该平台成功地转移到了晶圆厂，并提供了PDK工具包，使这项技术从研究实验室走向了开发和商业化阶段。未来展望包括更复杂的线性和非线性功能的集成，以及低能耗，高速调谐和调制的应用，以及应用于新兴应用，如神经形态计算和量子计算。