氮化硅SiN集成光波导平台(二)：SiN-based 平台

上一篇讲了SiN-on-SOI平台，SiN作为硅光平台的补充材料，有效解决了Si波导的短板。这一篇介绍一下另外一条路线，即SiN波导为基础，与硅光平台解耦的SiN-based平台。SiN-based平台其实目前没有大规模量产应用，但学术界和工业界都在大力推进它的产业化。

一、脱离硅光工艺限制，充分发挥无源优势，匹配新应用场景

SiN本身最大的优势就是在无源性能上(折射率适中、低损耗、耐高功率)，但集成在SiPh平台中会受到硅光其他工艺的制约，并不能发挥出SiN最大的价值。

以SiN为基础的话就灵活了很多，首先成膜工艺上就不必考虑高温退火、多层、抛光有啥副作用了，只要应力控制好、薄膜不翘曲不裂开，所有降低损耗的手段都可以用，均匀性对比SIN-on-SOI也有很大提升(＜1％ vs ＞5％)。目前不同厚度/不同沉积方式(LPCVD/PECVD/PVD)的氮化硅都可以实现＜0.1 dB/cm的传输损耗。

国内几条中试线比如Cumec/上海工研院/北京微电子所都有能力实现低损耗SiN波导加工，CUMEC的MPW可以提供＜0.1dB/cm的加工，Sitri的是0.25dB/cm。基于他们几位欧美归国的SiN大拿创办的质禾、芯傲、杭州华芯等公司或者FAB能够提供更优质的氮化硅薄膜、波导或者器件。

欧洲的Ligentec、CEA-LETI、IMEC的SiN加工水平也都相当高，IMEC和CEA-LETI有12寸的高质量氮化硅工艺。而作为最早开辟SiN平台的荷兰Lionix公司，据说在研究中可以实现0.001dB/cm的水平，常规加工也可以达到7dB/m左右的水平。他家的SiN稍微比较特殊，是一种双层、弱束缚波导的形式，但损耗和一致性是真好。Quix quantum基于他家流片基于190个MZI级联Mesh网络的量子光学处理器，算下来一个MZI只有0.06dB不到的平均插损。

此外，独立的SiN对于衬底氧化层(BOX)的厚度也可以自定义了，不像SOI最大可选厚度也只能是3um。各大流片厂的氧化层厚度从4um到10um的都有，氧化层加厚了之后，光耦合就变得容易了，可以不需要做衬底掏空型的光纤耦合器(cantilever)，实现全固态的耦合器，在可靠性上有很大优势。只要氧化层足够厚，SiN足够薄/足够窄/足够多层，SiN平台的光纤耦合是可以跟PLC媲美的(＜ 0.5dB/facet)。

Honeywell的多层氮化硅超低损耗(0.26dB/facet)光纤耦合器

★优异无源特性使能的新应用：

① 低损耗、高功率：窄线宽混合集成外腔激光器(传感领域、FMCW等)、集成光陀螺仪

映讯芯光外腔可调光源

② 低损耗、热不敏感：量子光学、光计算等

Quix Quantum的量子光学芯片

③ 折射率差适中、带隙大：可见光/近红外生物传感(生物光谱传感等)、小型化光学引擎(头戴式AR设备等)。

Surfix Diagnostics基于SiN传感芯片的癌症早筛设备

欧洲Brilliance公司的小型化RGB光学引擎

上海近观科技的芯片拉曼光谱无创血糖检测

二、混合/异质集成，补齐有源功能

由于SiN本身的有源调制只有低速热调或者机械调控，发光和探测也搞不定，所以我们就还是让它老老实实干无源，其他功能通过异质集成来做。独立的氮化硅也为各种本身CMOS不兼容的材料提供了集成平台。比较有特色的包括国科光芯、易缆微、瑞士Ligentec的800G~1.6T TFLN/SiN 光芯片光引擎、EPFL孵化的EDWATEC提供的高增益掺铒波导光放、ETH孵化的Polariton以及Lumiphase提供的400G/lane SiN/polymer等离激元增强和SiN/BTO高速电光调制器等。

由于SiN的折射率适中、厚度可调，与其他材料的异质集成也能提供较强的光场相互作用，比如像TFLN/SiN的混合调制器，调制效率、插损等各方面指标并不比LNOI要差。

TFLN/SiN光引擎、SiN/polymer调制器以及高增益EDWA

三、亟待杀手锏应用

尽管SiN-based平台有这么多的优点和潜在应用方向，如果能大规模量产都可以实现超低的成本，但我们也看到这些都是比较“小而美”的应用方向，目前没有哪个方向有绝对的优势和大的SiN需求量。

传统的通信方向，SiPh平台、III-V平台都还有潜力继续挖掘，SiN-based平台没体现出太多原理性优势；新方向里边，FMCW还在ToF方案后边排队，集成光陀螺打不过低成本MEMS方案，头戴式AR/VR并没有卖得很好等等因素都使得SiN-based平台没有找到一个规模量产的引爆点。未来还需要继续寻找具有突破性价值的场景。