逆向设计实现氮化硅光子器件的高度集成

《Nature Communications》：Integrated silicon nitride devices via inverse design

本刊推荐：为解决氮化硅光子器件因折射率对比度低导致尺寸过大的问题，研究人员通过逆向设计技术开发出紧凑型波分复用器、模分复用器和偏振分束器，实现高达1200倍的尺寸缩减，同时保持160纳米的最小特征尺寸，为多维数据传输和量子应用奠定基础。

　　

在光子芯片技术快速发展的今天，氮化硅（SiN）凭借其超低传播损耗（<0.1 dB·m^-1）、宽透明窗口和与硅基平台兼容的特性，已成为传感、光通信和量子信息处理等领域的关键材料。然而，氮化硅与二氧化硅（SiO₂）之间相对较低的折射率对比度，虽然有利于降低相位误差和增强器件鲁棒性，却导致器件尺寸偏大。例如，在400纳米厚的氮化硅平台上，波导最小弯曲半径需达到50微米才能实现低损耗传输，这严重限制了芯片集成密度。随着光子集成电路从中等规模集成（MSI，10-500个组件）向大规模集成（LSI，500-10000个组件）乃至超大规模集成（VLSI，>10000个组件）迈进，如何在低折射率对比度平台上实现器件微型化成为亟待突破的瓶颈。

传统氮化硅复用器（如级联马赫-曾德尔干涉仪或环形谐振器）通常需要毫米级尺寸，而逆向设计（inverse design）技术虽在硅基光子学中成功实现了器件微型化，但其在中等折射率对比度平台上的应用仍面临计算复杂度和加工可行性的挑战。为此，Julian L. Pita Ruiz团队在《Nature Communications》发表研究，通过结合拓扑优化和深度学习校正模型，首次在氮化硅平台上实现了三种超紧凑逆向设计器件：四通道粗波分复用器（CWDM）、五模模分复用器（MDM）和偏振分束器（PBS），在保持高性能的同时将器件尺寸缩减至微米级。

关键技术方法包括：基于Python的LumOpt工具箱进行密度拓扑优化，结合160纳米最小特征尺寸约束和圆形平滑滤波器；利用深度学习模型（Prefab Photonics）对布局进行加工偏差预校正；采用电子束光刻（EBL）和反应离子刻蚀工艺制备器件，并通过晶圆级自动化测试站表征性能。

粗波分复用器

研究人员在24×24微米的设计区域内，以1530纳米、1550纳米、1570纳米和1590纳米为中心波长，对四通道CWDM进行逆向设计。优化过程中，每个通道围绕中心波长在10纳米带宽内选取五个波长点作为目标。

模拟结果显示，该器件在中心波长处的传输效率优于-1.0 dB，串扰低于-11.6 dB。对三个未校正器件的测试表明，其性能高度可重复，平均传输效率在1511.3-1571.3纳米波长范围内为-1.0至-1.7 dB。而经过深度学习校正的器件进一步将波长偏移减小超过5纳米，串扰改善达5 dB以上，其中通道4在1577纳米处的传输效率提升至-0.8 dB，串扰低至-25.2 dB。

模分复用器

五模MDM器件在16×7微米的设计区域内，将五个间距为1.2微米的单模波导的TE₀₀模式分别转换为输出多模波导的TE₀₀（通道2）、TE₀₁（通道3）、TE₀₂（通道4）、TE₀₃（通道1）和TE₀₄（通道5）模式。器件采用16微米半径的自由形式弯曲波导路由通道，以最小化串扰。

在C波段和L波段的宽带优化中，模拟显示各模式传输效率为-0.9至-1.3 dB，3 dB带宽超过120纳米，平均串扰低于-12.3 dB。实测结果与模拟高度吻合，TE₀₀和TE₀₁模式的效率分别为-1.0 dB和-1.1 dB，且频谱平坦。该器件还可与微机电系统（MEMS）结合实现模态开关功能。

偏振分束器

PBS器件在24×12微米的区域内，将输入波导的TE和TM模式分别导向通道1和2。优化时采用850纳米宽度的输入输出波导，输出波导间距设为4.925微米。

模拟结果表明，TE模式在通道1的平均效率为-0.3 dB，TM模式串扰低至-20.1 dB；TM模式在通道2的效率为-0.3 dB，TE串扰为-25.8 dB，偏振消光比（PER）超过19.8 dB。实测TE效率为-0.8 dB，TM效率为-0.9 dB，但串扰增至-15.5 dB，主要归因于加工过程中的过度刻蚀。

讨论与结论

本研究通过逆向设计在氮化硅平台上实现了与硅基器件相媲美的集成密度，其中CWDM相比传统级联MZI方案尺寸缩减1200倍。尽管加工偏差（如过度刻蚀）会导致波长偏移和串扰增加，但深度学习校正模型有效提升了器件性能一致性。这些非周期性自由形式结构通过亚波长尺度的有效折射率调控，实现了对波长、模式与偏振的精确操控，其能力远超传统光子元件。该工作为氮化硅光子学在共封装光学（CPO）和VLSI电路中的应用铺平道路，并可推广至其他中低折射率对比度材料平台。