光波导高密度光子集成

作者： vch14484171

发布于： 2025-12-20 11:49

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来源：泰丰瑞电子

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光波导高密度光子集成

光波导

光网络必须具备直接处理光信号而无需将其转换为电信号的电路功能。如图1所示，这些功能可通过光波导（optical waveguides）来实现——光波导用于引导和传输光。基于光波导理论，我们可以根据所需功能设计出多种类型的光波导。功能包括：

切换光路（光开关）
不同波长的光分离（分波）
或将多个波长的光合束为一路（合波，即光滤波器）等。

波导所实现的功能由其结构设计决定，而波导的尺寸及其光学特性则取决于所采用的波导材料。

图1光波导的类型

光波导的最小弯曲半径与其相对折射率差之间的关系如图2所示。相对折射率差定义为：导光芯层（core）与包覆芯层的包层（cladding）之间的折射率之差，除以芯层的折射率。随着相对折射率差的增大，最小弯曲半径减小。

当采用具有更高折射率的材料作为波导时，光学器件可以做得更加紧凑。在电子器件领域，晶体管的微型化和高集成度遵循摩尔定律，在不断提升性能的同时，也持续降低了单个晶体管的成本。

然而，在光学器件领域，仅通过使用高相对折射率差的材料来简单缩小器件尺寸，并不一定能够提升器件性能，因为这类结构对加工精度极为敏感。
通常，光学器件的性能与其尺寸之间存在一种权衡关系，而这种权衡限制了更高集成度光学器件的发展。

图2相对折射率差与最小弯曲半径之间的关系

泰丰瑞电子致力于突破这一性能与尺寸之间的权衡关系，其策略是根据具体应用需求，在单一光学器件中合理集成适宜的材料并优化折射率差。
本文将介绍我们在光波导技术方面取得的最新进展，这些进展正推动实现极致紧凑且高度集成的光学器件。
我们将详细阐述以下三项波导技术：

高性能二氧化硅基平面光波电路（PLC）

新型低损耗氮化硅（SiN）

3D光通孔技术（3D optical via technology）

为开发尺寸极限化的光学器件开辟了新路径。

硅基平面光波导

二氧化硅基平面光波电路Planar Lightwave Circuit,PLC是以石英玻璃（SiO₂）为材料平台，在硅衬底上通过沉积（FHD）、光刻和反应离子刻蚀（RIE）等工艺制备的集成光学器件。其核心结构由高折射率掺杂芯层（如掺锗 SiO₂:Ge）与低折射率包层（纯 SiO₂ 或掺硼/氟 SiO₂）构成，实现对通信波段（1310/1550 nm）光信号的低损耗引导与调控。

以石英玻璃为材料制成的光学回路，其材质与通信光纤相同。因此，这类PLC具备诸多优异特性，例如与光纤的低损耗耦合能力以及长期可靠性。

由于其相对折射率差较低，二氧化硅基PLC能够对光的传播特性进行精确调控，因而特别适合作为实现高性能光学滤波器的波导平台，例如用于分波与合波不同波长光信号的阵列波导光栅（AWG）。

目前，多种具备上述优势的二氧化硅基PLC器件已广泛应用于光通信网络。现有商用二氧化硅基PLC的最小弯曲半径约为1 mm（对应相对折射率差约1.5%），典型AWG芯片的尺寸通常为20–30 mm。

通过提升波导制备精度并开发先进的高密度集成工艺，在保持PLC优异性能的同时，显著缩小了芯片尺寸。图3展示了相对折射率差提升至5% 的高精度AWG器件的显微照片及其传输光谱。

利用该技术，我们成功将AWG主光路区域的面积缩小至仅1 mm²，同时实现了仅0.2 dB的附加损耗，其性能与当前商用AWG相当。

图3紧凑型低损耗AWG

SiN波导

硅纳米线波导的芯层与包层之间的折射率差（Δ）约为 40%，非常适用于实现超小型光子集成电路PIC。

氮化硅（SiN）波导的相对折射率差（Δ ≈ 20%）介于硅（Si）与二氧化硅（silica）之间，是一种有望在保持较高集成度的同时兼顾良好工艺容差的候选平台。特别是采用低温等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备的SiN波导，因其可在不引起热损伤的前提下，实现与调制器和探测器的单片集成，近年来备受关注。

然而，传统PECVD法制备的SiN波导在1500 nm波长附近存在较大的吸收损耗。这种吸收主要源于薄膜中形成的N–H键，而该键是由PECVD过程中硅烷（SiH₄）气体源解离产生的氢原子掺入薄膜所导致的。

图4 SiN波导的透射频谱测量

3D光通孔互连

基于微镜的光通孔互连技术，实现高密度光波导器件集成主要有两种途径：

其一是采用高相对折射率差的波导材料，以减小弯曲半径；
其二是将光路在垂直方向堆叠（即多层堆叠）。

此外，当采用多层堆叠结构时，还可更便捷地集成基于不同材料、具备不同功能的光学电路（例如将调制器、探测器与低损耗传输波导分别置于不同层）。当然，若仅简单地将各层堆叠在一起，系统无法实现光学功能——必须在各堆叠层之间建立有效的光耦合通道。我们将这种结构称为光通孔互连，简称光通孔或 optical via，其作用是在不同堆叠的光学层之间实现光信号的垂直传递。

具体而言，在光通孔功能下，光在某一层中的传播路径首先被垂直转向至相邻层；当光到达目标层后，其传播方向再被水平调整，以便继续在该层中传输。因此，实现光路的垂直转换技术将成为光通孔制造成功的关键。我们研究了利用微镜实现此类光路转向的可行性。图5展示了所制备的八通道微镜的镜面损耗（即由光路转向引起的损耗）。实验结果表明，单次光路转向的损耗低于0.5 dB，这意味着两层之间的光耦合总损耗小于1dB。