无铜杂质Si3N4光子集成电路实现确定性孤子微梳生成

《Nature》：Deterministic soliton microcombs in Cu-free photonic integrated circuits

为解决硅基微腔孤子频梳因热不稳定性难以确定性生成的问题，研究人员通过开发铜杂质去除技术，显著降低Si3N4波导中的铜浓度，实现了任意激光扫描模式下的确定性耗散克尔孤子生成，推动了孤子微梳技术的实际应用。

　　

芯片级光学频率梳（微梳）基于微环谐振腔（microresonator），可提供千兆赫至太赫兹重复频率的光频梳，具备宽带宽、紧凑尺寸及晶圆级制造兼容性等优势。氮化硅（Si₃N₄）光子集成电路已成为主流平台，广泛应用于光通信、并行激光雷达、光学频率合成、低噪声微波生成及并行卷积处理等领域。然而，热不稳定性导致的孤子生成非确定性严重限制了其实际部署。尽管已有脉冲泵浦、快速扫描和辅助激光泵浦等技术尝试激发孤子，但这些方法未能消除热效应，且常牺牲微梳性能或增加系统复杂性。本研究通过溯源发现，波导中意外存在的铜杂质（源于CMOS级硅片残留污染物并在制备过程中被Si₃N₄吸附）是热效应的关键诱因。通过开发铜去除工艺，研究人员大幅降低铜浓度，成功实现耗散克尔孤子（dissipative Kerr soliton）在任意激光扫描速度和模式下的确定性生成。该技术可直接应用于foundry中Si₃N₄器件的前道工艺，为孤子微梳技术从实验室走向实际应用扫除了核心障碍。