集成光学（Integrated Photonics）是一项可以利用光子集成线路（Photonic Integrated Circuit，PIC）实现光信号的合成、处理和探测的技术，因此也被称为“光芯片”技术。在过去的二十年里，光芯片技术已经实现从“实验室演示”到“工业级大规模量产”的跨越，并成功应用在高速高容量光通信网络和数据中心。芯片产业中的一个重要环节是代工服务（Foundry Service），即具备自主技术和芯片加工能力的代工厂为不具备加工能力的客户提供流片服务。代工服务使得功能芯片原型的快速制作和验证，以及高产量、高良率、低成本的芯片大规模生产成为现实。
目前主流的光芯片材料平台包括硅和磷化铟。通过异质集成的方式，这两种材料的组合实现了用于光互连的电泵浦半导体激光器芯片，并已在英特尔实现商业化，每年出货量可达数百万。然而，硅和磷化铟仍具有诸多材料局限性，最突出的一点就是光在这两种材料中的传输损耗很高，一般为dB每厘米量级。此外在高功率下，非线性光吸收进一步加剧了光损耗。
人们对于发掘光在材料中传输损耗的机理以及探索降低损耗方法的追求是无止境的，该追求甚至改变了人类的近现代信息文明。一个最典型的代表案例就是光纤的发明、改良和应用。1966年，高锟发现了玻璃光纤中光传输损耗高的原因，并提出和实现了一系列优化材料和结构的方法来降低玻璃光纤中的光传输损耗。正因如此，目前最常使用的玻璃光纤可以实现低至0.2 dB每千米的光传输损耗，并基于此建立起全球光纤通信网络。这项对光传输损耗近乎苛刻的研究，不仅使高锟本人获得了2009年诺贝尔物理学奖，也为人类带来了当今的信息社会和文明。
同样的，实现超低损耗集成光波导也是集成光学领域最基本、最核心的目标之一。氮化硅材料的引入为实现这一目标提供了极佳的解决方案。氮化硅具有很多极其优秀的光学特性，比如从紫外到中红外的光透明区间、在通信波长无双光子吸收、合适的克尔非线性、微弱的拉曼和布里渊非线性等。同时，氮化硅光芯片的加工能够完美兼容当下标准的CMOS硅芯片制造工艺，并已经在世界上少数几个实验室实现了低至0.01 dB每厘米甚至更低的光传输损耗。利用超低损耗氮化硅片上光波导来构建高品质因子的光学微腔和复杂线性网络，人们已经可以实现芯片集成的光频率梳、窄线宽激光器、压缩量子光源，以及光神经网络等。
尽管目前国际上主要的代工厂都提供氮化硅光芯片的代工服务，但是其光损耗离目前学术界报道的最好指标仍有显著差距。事实上，超低损耗氮化硅光芯片在工业产线上的研发仍然面临很多挑战。其中最大的挑战便是，高质量氮化硅薄膜的沉积厚度超过400 nm后极容易产生裂纹。因此，“如何在大尺寸晶圆工业产线上实现超低损耗的厚氮化硅薄膜，又能同时保证无裂缝和高良率（超过97%）”，是当下迫切需要解决的问题。
为解决这一长期存在的挑战，近日，深圳国际量子研究院的刘骏秋团队与杭州芯傲光电有限公司（一家于2021年在中国成立的光芯片初创公司）合作，报道了国际上首次实现超低损耗氮化硅集成光学技术从“实验室演示”到“工业级大规模量产”的转化。这也是首次在国内建立起超低损耗、大尺寸晶圆、厚氮化硅的光芯片工艺技术，且多项指标和综合性能达到国际最好水平。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第4期。
杭州芯傲光电有限公司自主研发了一套基于6英寸晶圆的CMOS减法芯片加工工艺（Subtractive Process），通过结合先进的深紫外步进光刻技术，以及氮化硅材料生长、刻蚀、退火、钝化等技术，成功制备出厚度超过810 nm、光损耗低于0.026 dB每厘米的氮化硅光芯片。深圳国际量子研究院团队对这些光芯片的光学性质，如损耗、色散、耦合强度、均匀性等指标进行了系统和全面的分析。结果表明这些氮化硅光芯片的综合性能已到达国际最好水平。更最重要的是，基于环形微腔的实验表征证明此氮化硅工艺具有接近100%的良率。这一指标的达成切实保障了超低损耗氮化硅光芯片技术真正能够实现落地应用。
同时，利用这些芯片，深圳国际量子研究院团队实现了氮化硅芯片集成的孤子光频率梳，其光谱范围覆盖整个光通信的C波段，且重复频率在微波K波段。这种芯片集成光频率梳器件还可以直接用于光微波生成、高容量相干光通信和天文光谱仪校准等应用。
做好真学问，“实现高水平自立自强”是我国科技发展的必由之路。习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时强调，“应对国际科技竞争”，“要打好科技仪器设备、操作系统和基础软件国产化攻坚战，鼓励科研机构、高校同企业开展联合攻关，提升国产化替代水平和应用规模，争取早日实现用我国自主的研究平台、仪器设备来解决重大基础研究问题”。值得一提的是，超低损耗氮化硅光芯片技术之前仅在美国、瑞士、瑞典三个国家建立，并已经产生技术壁垒。据悉，我国很多高校科研单位使用此技术高度依赖进口。因此，此项工作也是我国打破西方技术壁垒、建立全流程自主可控、拥有自主知识产权的光芯片加工技术。未来该项技术对发展片上光器件、光通信、激光雷达、神经网络、量子信息处理、传感和精密测量将起到重要作用。据悉，部分芯片也已交付国内外相关研究单位开展合作研究。
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杭州芯傲光电有限公司（英文名Qaleido Photonics）是一家由瑞典和瑞士海归青年学者创立的光芯片初创公司。公司成立于2021年，坐落于杭州余杭区未来科技城海外高层次人才创新园。公司主要聚焦于开发异质集成氮化硅光芯片技术，并向国内外科研院所和企业提供代工流片服务。公司的研发人员均具有博士学位，且人员占比超过60%。
深圳国际量子研究院坐落于深圳市深港科技创新合作区，是一所为落实国家粤港澳大湾区、中国特色社会主义先行示范区“双区战略”任务、加强与港澳地区的深度合作与融合的研究机构。研究院刘骏秋研究员团队成立于2022年，主要研究集成光学和MEMS技术在量子信息科学、光计算、激光雷达和空间科学上的应用。
此项工作的合作者还包括上海大学的郭海润教授团队和南京航空航天大学的何吉骏教授团队。研究团队在文章里表示了对俞大鹏院士和香港大学向超教授的感谢。
本新闻稿内容得到了以下专家的审阅：杨起帆教授（北京大学），薛晓晓教授（清华大学），鲍成英教授（清华大学），向超教授（香港大学）。
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超低损耗光芯片技术实现工业级量产
