氮化硅与二氧化硅协同，集成光子芯片研制出超400nm带宽光学频率梳

电子发烧友网综合报道光子芯片是下一代信息产业的核心支撑载体，行业整体朝着高集成度、多功能化方向快速迭代。近日，由德国马克斯・普朗克光科学研究所牵头的国际联合研究团队在《先进光子学》刊发重磅研究成果：研究团队打破单一材料体系的固有局限，创新性将氮化硅、二氧化硅两种材料集成至同一款光子芯片器件内，业内首次在氮化硅集成光子体系中观测到拉曼散射效应，并依托该复合结构生成带宽覆盖超 400nm 的宽带光学频率梳。

该项技术突破不仅为片上集成光源的研发开辟全新技术路线，也拓宽了集成光子芯片的功能边界，有望对后续光电子产业链发展格局带来深远影响。

打破单一材料性能桎梏，同步激活两类核心光学非线性效应

在集成光子学领域，氮化硅（Si₃N₄）是业内公认的优质集成光子基底材料：兼具极低光传输损耗、较强克尔（Kerr）非线性系数、可见光至中红外波段超宽透光窗口，同时具备良好 CMOS 工艺兼容特性，是片上频率梳、高速光通信、高精度光谱检测等场景的主流优选平台。

但氮化硅本身存在固有短板：本征拉曼散射截面偏低，拉曼增益系数数值极小，受基础物理属性约束，过往多年行业始终未能在氮化硅集成光子芯片上实现拉曼激光激射、拉曼光学频率梳，波长转换、片上光放大等依托拉曼效应实现的功能，在纯氮化硅平台中一直无法落地。反观二氧化硅拥有优异的拉曼增益性能，却在传输损耗、非线性响应强度等关键指标上存在明显短板。

马普所研究团队采用复合集成新思路，融合两种材料的差异化优势：器件主体结构为氮化硅环形谐振腔，外部包覆二氧化硅包层。依托精细化波导构型设计，传输光场会以倏逝场形式渗透至外侧二氧化硅包层，光束可同时与氮化硅芯层、二氧化硅包层发生光物质相互作用，最终首次在氮化硅光子平台激发出拉曼散射效应，并同步催生宽带光学频率梳。

实测数据表明，向器件注入连续泵浦激光后，输出光谱中出现相对泵浦光频移约 11THz 的新频率分量，验证拉曼效应由二氧化硅包层主导产生；持续提升泵浦光功率后，器件内部四波混频等非线性光学过程被充分激发，最终形成光谱跨度超 400nm 的光学频率梳。该研究推翻了纯氮化硅体系无法实现拉曼非线性的固有认知，为多功能一体化集成光子芯片打造了全新设计范式。

两大核心创新：材料协同赋能 + 精密结构工程优化

本次研究能够实现技术突破，核心依托材料匹配设计与波导结构优化两项关键创新：

双材料优势协同

借助氮化硅芯层保障光信号低损耗长距离传输，依托二氧化硅包层提供高拉曼增益以强化非线性作用，在单颗器件内补齐单一材料的性能短板，突破纯氮化硅、纯二氧化硅各自的性能上限。

谐振腔倏逝场耦合结构创新

光场主要束缚在氮化硅谐振腔内部积累光功率，再通过倏逝场渗透方式与外侧二氧化硅包层耦合，大幅提升光场与二氧化硅之间的相互作用效率，让原本难以共存的克尔非线性、拉曼非线性物理过程在同一谐振腔内同步运转。

该项研究的价值并不局限于 “氮化硅平台首次实现拉曼散射” 这一实验成果，更确立了一套全新的集成光子芯片设计思路。从产业化落地角度来看，该方案工艺适配性极强：二氧化硅本就是氮化硅光子芯片流片制造中的常规介质包覆层，无需引入全新陌生材料体系，也不用复杂的异质键合、异质外延等高难度集成工艺，可低成本、低改动对接现有氮化硅光子代工产线。

现阶段该成果仍处于原理验证阶段，器件尚存多处优化空间：其一，当前生成的频率梳相干性不足，想要达到孤子锁模频率梳的高相干水准，还需优化波导色散构型、迭代泵浦注入方案，让谐振系统稳定工作在孤子锁模工作区间；其二，400nm 带宽虽具备实用价值，但距离氮化硅体系理论可实现的倍频程超宽带频率梳仍有差距，后续搭配深度色散工程设计、级联拉曼放大方案，光谱带宽还有较大提升潜力。

氮化硅与二氧化硅协同，集成光子芯片研制出超400nm带宽光学频率梳图1

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