氮化硅：从辅助材料到核心材料

氮化硅（Si3N4）最突出的优势在于其宽带透明特性：能够传输从可见紫光波段约405纳米至中红外波段约2350纳米的光波。这一范围远超硅材料的透光极限（硅的透光截止波长约为1100纳米），使得氮化硅平台可同时支撑从通信信号到可见激光的多种应用。

高功率处理能力是其另一大关键优势。氮化硅的电子带隙约为5电子伏特，在电信波长下几乎不会出现双光子吸收，即便强激光也能以极低的损耗传输。实际应用中，氮化硅波导可传输强光信号，且不会受到有害非线性吸收的影响——这种非线性吸收正是制约硅等其他材料的主要因素。

同样重要的是，氮化硅与标准CMOS制造工艺兼容，这意味着复杂的光子器件和系统可在生产传统硅电子产品的同一晶圆厂内制造。最后，氮化硅的折射率约为2.0，处于理想平衡状态：既足以将光紧密限制在微米级波导内，实现器件的小型化设计，又不会给制造工艺带来过大难度。

综上所述，这些特性使氮化硅在光学领域获得了“ Goldilocks”（恰到好处）的地位——具备宽带、低损耗、易制造的特点，这三种特性的组合十分罕见，此前长期难以实现。然而，氮化硅并非一蹴而就成为核心材料。21世纪初，当研究重点集中在硅和特殊的III-V族半导体时，氮化硅始终处于边缘地位。当时的主要障碍之一是光学损耗：早期的氮化硅波导因材料缺陷会导致光的显著衰减，且厚氮化硅薄膜易因内应力开裂。

随着精巧工程技术的发展，这一局面得以改善。尤其是在荷兰，TriPleX平台研发出应力管理技术，能够制造更厚且无裂纹的氮化硅波导。其关键成果显而易见——传输损耗大幅降低。在部分案例中，氮化硅波导的传输损耗可低至0.1分贝/米，这意味着进入1米长波导的光约有98%能被传输。这种透明性已接近光纤水平，且实现了芯片集成，成为氮化硅应用的转折点。

1.为光打造超低损耗传输通道

氮化硅光子的首批重大突破之一，是在芯片上制造出超低损耗波导和高品质因数（Q）光学谐振器。多年来，工程师们一直致力于研发损耗极低的波导，因为他们深知，每降低1分贝的损耗，就意味着信号能传输更远的距离，光学器件的性能也会更优。对于窄线宽激光器（需要长光路滤波）和非线性光学过程（需要强光在环路中循环）这类器件而言，低损耗尤为关键。

制造工艺是当时面临的主要挑战。早期的氮化硅制造工艺需要采取极端措施——特别是将芯片在约1200°C的高温下烘烤，以去除会吸收光的缺陷。这种高温退火工艺与CMOS电子器件制造不兼容，还可能产生应力导致薄膜开裂。长期以来，要实现超低损耗，就必须在制造兼容性上做出妥协。

近期，该领域迎来了新的里程碑：无需高温退火，即可制造出创纪录低损耗的氮化硅波导。研究人员通过调整沉积过程中的化学配方（例如使用氘化前驱体消除特定的光吸收键），并优化250°C以下温度环境中的薄膜生长过程，将损耗降至前所未有的水平。在一项实验中，氮化硅波导的传输损耗仅为1.77分贝/米，其支持的谐振器品质因数可达10^7量级，性能接近光纤。

如此低的损耗使得光在芯片谐振器中可存储微秒级时长——这在光子学领域堪称“漫长”，同时延迟线也能传输信号而不会出现明显衰减。同样重要的是，这些成果是通过与CMOS兼容的工艺实现的，这意味着光子芯片可在同一晶圆上集成氮化硅波导与传统晶体管电路。此外，相关制造技术已被证实具备可扩展性和多功能性：同一工艺可用于制造薄型和厚型氮化硅波导，且两者均能实现低损耗，从而在单一平台内构建包含不同光路类型的复杂电路。

氮化硅的超低损耗革新，为在硅基平台上实现高性能光子电路开辟了道路——这类电路此前被认为难以实现。

2.频率梳与参量振荡器

氮化硅兼具低光学损耗、高折射率和适度三阶光学非线性特性，这一独特组合使其实现了一项重大突破：芯片级光学频率梳。这种频率梳是由等间隔激光谱线构成的网格，如同光的“标尺刻度”，彻底改变了精密测量领域，为光学时钟和光谱学领域获得诺贝尔奖的研究成果奠定了基础。

传统上，生成光学频率梳需要庞大的激光器和复杂的光学装置。如今，毫米级的氮化硅微谐振器可在微型光子芯片上生成频率梳。当连续波激光注入高品质因数的氮化硅谐振器时，材料的三阶克尔非线性效应会将单一频率的输入光转换为一系列等间隔的波长。最终，一个比一角硬币还小的器件，仅需小型电池供电就能生成“微梳”，实现了以往需要一整个实验室才能完成的功能。

早期生成微梳的尝试虽能产生宽光谱，但输出信号存在噪声且不稳定。后来的突破在于通过调控系统，使谐振器内形成单个稳定的脉冲（即孤子）循环。通过精细调节激光，可按需生成“孤子克尔梳”，输出低噪声、宽带宽的信号——有时甚至能覆盖一个倍频程的频率范围。这一进展使光学微梳技术接近“即插即用”的水平：只需一个简单的激光二极管，无需复杂控制，就能为精密频率网格提供能量。

近年来，制造工艺的进步大幅降低了微梳生成的阈值功率。品质因数超过10^7的超低损耗氮化硅环形谐振器，如今仅需数十毫瓦的光功率就能生成频率梳。研究人员还通过将小型磷化铟激光器直接键合到氮化硅芯片上，实现了电驱动微梳，打造出无需庞大外部组件的自启动孤子光源。这些创新正将光学频率梳从实验室中的“新奇装置”转变为紧凑、低功耗的光子模块。

其应用前景十分广阔。便携式超高精度设备，如手持式光学时钟或分子传感器，正从概念走向现实。行业领军者预计，微梳技术将推动下一代激光雷达（lidar）和电信技术的发展——基于芯片的单一频率梳可同时提供多个稳定波长的光，有望取代多组独立激光器。

不过，仍有一个关键里程碑有待实现：实现芯片级“自参考”——无需外部校准，就能绝对锁定频率梳的频率。倍频程跨度频率梳生成、频率混合等技术正不断推动该领域向这一目标迈进。随着氮化硅频率梳发生器的不断改进，微梳技术有望从研究实验室走向更广泛的实际应用。

除频率梳外，氮化硅的高品质因数谐振器还革新了芯片级光学参量振荡器（OPO）。研究人员通过精细设计色散特性，利用四波混频（一种三阶非线性光学过程），在氮化硅微谐振器内实现了单泵浦激光器生成新波长的功能。这种芯片级光学参量振荡器有望成为未来可调谐相干光源的核心，无需在不同光谱波段使用多组激光器。

结合光学微梳技术的进步，这些发展奠定了氮化硅在非线性集成光子学新时代的核心地位——这个新时代的关键词是多功能、高精度和微型化。

3.氮化硅的量子飞跃

氮化硅不仅推动了传统线性和非线性光学的发展，还逐渐成为量子光子学的基础材料。一个令人振奋的应用案例是在芯片上生成纠缠光子对。当激光注入氮化硅波导或微环谐振器时，材料的克尔非线性效应会自发产生具有关联量子特性的光子对。事实上，一个微小的氮化硅环可作为“按需生成纠缠光子的工厂”。这种芯片级光源对量子通信（依赖纠缠特性）和光子量子计算（需要大量相同的单光子）至关重要。使用氮化硅的优势在于，这些光源可与其他光学组件集成在同一芯片上，为生成光量子态提供了稳定且可扩展的方案。

2021年，研究人员取得了一项出人意料的突破。他们利用光自身诱导内部电场，实现了高效的二次谐波产生（SHG）效应——在微谐振器内将入射光的频率翻倍。这种光驱动过程使氮化硅成为生成精密光信号的强大平台，为紧凑型频率梳和激光稳频技术铺平了道路。在此基础上，2025年的一项研究进一步突破极限，在氮化硅材料中实现了量子光生成。研究人员利用此前二次谐波产生过程中光诱导的电场，在高品质因数氮化硅谐振器内实现了自发参量下转换（SPDC）——在单芯片上每秒可生成超过70万个纠缠光子对。这一成果标志着向可扩展量子系统迈出了重要一步，也证明氮化硅既能满足传统光学需求，又能适配量子光学应用。

与此同时，研究人员正探索将单光子发射器直接嵌入氮化硅光子电路的方法。与生成光子对不同，单光子发射器在被触发时可一次释放一个光子，如同能发射光量子比特的纳米级发光二极管（LED）。科学家们尝试在氮化硅基质中特定位置引入微小的缺陷中心或量子点。当受到激发时，每个中心会发射一个单光子，该光子随后被导入氮化硅波导。早期实验结果表明，这种方法具有可行性，为制造更复杂的芯片开辟了新路径——这类芯片可包含数十个设计好的发射位点（每个位点都是一个能“按需发射单光子”的“像素”），并通过氮化硅波导连接成可编程量子电路。

氮化硅光子甚至正涉足冷原子和离子阱领域，搭建起集成光学与原子物理之间的桥梁。一种方案是将原子引入芯片：例如，在氮化硅波导周围填充铷蒸汽，使波导中的光直接与原子跃迁相互作用。另一种方案则是将芯片融入原子系统：在下一代离子阱量子计算机中，氮化硅波导和芯片上的微镜能精准地将激光束传输到被捕获的离子上，取代了传统实验室中庞大的透镜和反射镜系统。由于氮化硅能承受高功率光，且在低温环境下仍保持稳定，因此成为集成这类量子系统的理想平台。研究人员希望通过光子芯片操控原子和离子，将原子钟、量子存储模块等原本需要一整张光学实验台的设备实现微型化。

这些进展表明，这种曾不起眼的材料正逐渐成为光子量子技术的核心。氮化硅不再是被动的辅助材料，而是在积极塑造量子器件的未来——从单光子到超冷原子领域均有涉足。

4.光子材料混合与三维集成

氮化硅并非必须单独使用。最强大的光子平台中，有一部分是将氮化硅与其他材料结合，构建能发挥各类材料优势的混合系统。一个典型案例是将氮化硅与铌酸锂（LiNbO_3）结合——铌酸锂是一种晶体，具有调制光频率、改变光频率的特性（利用泡克尔斯效应实现快速调制，利用二阶非线性效应实现参量过程以生成新频率光）。通过将铌酸锂薄膜键合到氮化硅晶圆上（或反之），工程师可制造出集成超快调制器或可调谐频率转换器与低损耗氮化硅波导的器件。其中，氮化硅波导以低损耗引导光传输，铌酸锂层则对光的相位和频率进行主动控制，实现了两种材料的优势互补。

研究人员还在将III-V族半导体集成到氮化硅芯片上，以实现片上激光器和光电探测器的功能。III-V族材料能高效地发射和探测光——这是氮化硅自身无法实现的，因此这种异质系统可整合全套功能：将激光源、光子电路和探测器集成在同一个封装内。甚至其他类型的氮化物材料也被纳入混合系统，例如氮化铝（AlN），它在二次谐波产生方面表现出色，能将红外光转换为可见光或紫外光。通过将氮化铝微环与氮化硅波导结合，可在以氮化硅为主的芯片内生成新频率的光——例如，将1064纳米的红外激光转换为532纳米的绿光。在这些案例中，氮化硅均作为稳定的低损耗“骨架”，而与之结合的材料则提供特殊功能。最终形成的“超级光子芯片”，其功能远超单一材料所能实现的范围。

另一个突破集成极限的前沿领域，是突破单芯片层的平面限制，迈向三维光子电路。在电子芯片中，堆叠多层互连结构是提升复杂度的关键突破，类似的理念也正应用于光子学领域。其核心思路是构建多层波导（可能由不同材料制成），这些波导可上下交叉而不相互干扰，如同光学领域的“立交桥”和“地下通道”。这种设计的直接优势是避免了“交通拥堵”——当同一平面内交叉的波导过多时，易产生损耗或串扰，而三维结构可解决这一问题。这种三维互连结构可能包含两层或多层波导，光可从下层波导传输到上层波导以避开交叉点，再根据需要传回下层。

研究人员已成功演示了这类多层光子芯片，而精密晶圆键合、深紫外光刻等先进制造技术，使波导层的纳米级精准对准和连接成为可能。部分硅光子晶圆厂甚至在标准工艺中，于硅层上方额外添加一层氮化硅波导，形成垂直集成的光子堆叠结构。通过利用三维空间，设计人员可在特定区域内集成更多组件，并为大规模片上光学网络设计更复杂的路由方案。这也是氮化硅帮助光子学缩小与电子学差距的又一途径——通过为电路设计增加一个全新的维度。

5.迈向全集成光子量子时代

氮化硅在集成光子领域的崛起令人瞩目。在大约十年的时间里，它从一种小众材料发展成为高性能光子电路的核心支柱。如今，许多尖端光学芯片都依赖氮化硅的超低损耗和宽波长范围特性，主流硅光子晶圆厂也已将其纳入制造工具库。展望未来，随着集成光子学不断向主流应用拓展，氮化硅有望扮演更核心的角色。

值得关注的一个领域是传统光子学与量子光子学的融合。氮化硅兼具超低损耗特性，且在可见光和红外波段均具备兼容性，使其成为量子互连的理想载体——量子互连是连接不同量子器件或节点的关键链路。未来，我们或许能看到氮化硅波导在同一芯片上传输量子信号：例如，将某一波长的量子信号从量子存储器传输到另一波长的电信光纤中。同时，在通信、传感等传统领域，氮化硅也在推动技术进步，如更紧凑的激光雷达传感器、用于光纤网络的多波长激光源等。相关技术正快速成熟，初创企业已开始将基于氮化硅的频率梳与可调谐激光器商业化，工艺设计套件中也常将氮化硅作为硅的替代选项。

要在氮化硅平台上实现完整的集成光子系统，仍面临一些挑战。其中之一是调谐与切换功能。由于氮化硅自身的热光响应较弱（其折射率随温度变化较小），片上调制器和可调谐滤波器往往需要低效的微加热器，或采用混合方案（如添加铌酸锂层）来实现快速控制。另一个关键挑战是光子芯片的封装及与电子器件的集成——如何高效地实现光信号的片上输入输出，以及如何控制芯片上数百个元件，都需要创新方案。不过，这些挑战并非无法克服，研究人员正通过将氮化硅光子学与其他技术结合，积极寻求解决方案。

凭借当前的发展势头，在不久的将来，我们有望见证真正的“全集成”光子系统——这类系统此前只存在于设想中。试想，一个小型化器件内集成了低噪声激光器、超低损耗路由、调制器、滤波器、探测器，甚至量子光源——所有组件均通过氮化硅波导连接。这类系统可实现多种应用：用于无GPS导航的便携式光学原子钟、基于频率梳精度识别化学物质的手持式光谱仪、安全的量子通信链路等，且均以氮化硅为基础平台。随着氮化硅将传统光子学与量子光子学整合为统一的技术基础，两者之间的界限可能会逐渐模糊。

从默默无闻的辅助材料，到备受关注的核心材料，氮化硅的发展历程表明，材料领域的创新能引发整个行业的变革。如今，我们正站在光子器件和量子器件新时代的门槛上，而氮化硅必将继续在这一进程中发挥关键作用——字面意义上的“照亮”前行之路。

原资讯作者：Mohammad Hossein Enjavi, Saeed Javadizadeh and Ali Adib，均来自美国佐治亚理工学院电气与计算机工程学院。

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