飞秒激光改性LPCVD-SiN光子器件：微观结构演变与制造后修整

《Optics & Laser Technology》：Femtosecond laser modification of LPCVD-SiN photonic devices: microstructural evolution and post-fabrication trimming

　　

飞秒激光加工提供了一种局部、非接触的方法，用于集成光子器件的永久性后制造修整。研究人员研究了低压化学气相沉积氮化硅（LPCVD-SiN）中剂量依赖的微结构演变，并将由此产生的折射率修饰应用于微环谐振器（MRR）的谐振校正和性能调谐。研究人员将一个800 nm、40 fs的激光聚焦穿过SiO₂上包层到SiN芯层，通过改变扫描速度控制累积脉冲剂量。拉曼光谱、透射电子显微镜（TEM）和能量色散谱（EDS）揭示了Si–N键解离、显著的Si富集以及非晶硅（a-Si）和纳米晶硅（nc-Si）的共存。这些转变增加了局部有效折射率，并使MRR谐振发生红移。使用单个MRR进行校准，获得的修整分辨率小于0.1 nm，过量损耗约为0.15 dB。局部激光再退火部分恢复了器件性能，并将30天内的谐振漂移限制在20 pm以下。该方法校正了二阶和平行耦合MRR中的谐振失配，并改善了波分复用（WDM）器件的通道均匀性。

硅基氮化硅（SiN）平台因宽透明窗口、低双光子吸收、较小热光系数等优点，成为大规模光子集成回路（PIC）的关键材料。其中，低压化学气相沉积（LPCVD）制备的SiN薄膜致密、近化学计量比、损耗低，但工艺误差不可避免，纳米级的波导宽度或厚度偏差会引起谐振和相位误差，严重制约滤波器、调制器及波分复用（WDM）电路的良率。有源热/电调谐需持续耗电并增加控制电路，永久性后制造修整则能静态校正相位误差并降低功耗。飞秒激光加工在晶体硅中已实现谐振校正，但在LPCVD-SiN中，剂量依赖的微观结构演变、光损耗起源和稳定化策略仍不清楚。为此，研究人员系统研究了飞秒激光照射LPCVD-SiN的剂量依赖微结构演变，通过改变扫描速度控制累积脉冲剂量，利用拉曼光谱、TEM、EDS等表征手段与光学响应关联，并将有效折射率变化应用于微环谐振器（MRR）的谐振校正和性能调谐。研究显示，飞秒激光诱导Si–N键解离和Si富集，形成非晶硅（a-Si）和纳米晶硅（nc-Si）共存结构，显著增大局部有效折射率，实现高分辨率、低损耗、长期稳定的修整。该成果为复杂LPCVD-SiN PIC的精密后制造修整提供了物理基础和实践路线，发表于《Optics》。

研究人员采用中心波长800 nm、脉宽40 fs、重复频率1 kHz的钛蓝宝石放大激光系统，通过数值孔径0.55的50×物镜将光斑聚焦至约2 μm，穿过SiO₂上包层作用于SiN芯层；通过改变扫描速度（0.02–0.2 mm/s）控制累积脉冲剂量，标称通量约62 mJ/cm²。使用拉曼光谱、聚焦离子束（FIB）制样、透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）和能量色散谱（EDS）分析键合变化、相演变和元素分布；利用光学矢量分析仪（LUNA OVA5100）记录C波段透射谱，并通过单个MRR校准有效折射率变化。还引入了局部激光再退火步骤以减少缺陷并改善器件性能。

3.1 激光处理SiN薄膜的表面形貌：通过光学显微镜（OM）和原子力显微镜（AFM）观察，无包层LPCVD-SiN在恒定通量下照射后，表面粗糙度从原始0.61 nm轻微增大，最低扫描速度（0.02 mm/s）时也仅为0.99 nm，表明改性过程高度局部化且不引起明显表面损伤。

3.2 激光处理SiN层的微观结构分析：拉曼光谱显示，照射后c-Si峰（520 cm^-1附近）强度下降、490 cm^-1附近增强，且620、820 cm^-1处的Si–Si、Si–N振动带展宽并移动至约610、890 cm^-1，520 cm^-1峰位红移约0.8 cm^-1，说明发生Si–N键解离并形成a-Si和nc-Si。TEM/SAED分析中，衍射环可标定为Si(111)、(220)和(311)面；主照射区出现晶粒大于30 nm的晶体Si，边缘区存在与Si(111)、(220)面对应的晶格条纹，弱改性区仅有a-Si和小于10 nm的nc-Si，证实剂量依赖的相分离。TEM-EDS显示，原始Si/N原子比接近3:4；激光改性区N原子占比从54.8%降至8.6%，Si/N比增加约一个数量级，表明发生显著Si富集和Si–N键解离。

3.3 SiN光子器件的后制造修整与性能调谐：利用半径50 μm的单MRR校准，在0.2 mm/s扫描速度下，谐振红移约0.1 nm，额外损耗约0.15 dB（对应0.075 dB/μm），推算Δn_eff≈0.02；Q因子从约3050降至2800，消光比（ER）从10.8增至14.1 dB，说明适当剂量使过耦合器件向临界耦合移动。局部激光再退火使谐振轻微蓝移并部分恢复Q和ER，30天室温存储后谐振漂移低于20 pm。将该校准用于二阶MRR，谐振峰对齐，C波段ER平均改善约10 dB，额外损耗低于0.2 dB；平行耦合MRR的0.88 nm失配在逐次修整后ER改善约5 dB；四通道WDM器件经选择性修整后，通道间隔从不均匀值校正为1.89±0.08 nm。

讨论：与SOI（晶体硅）平台飞秒照射导致的局部非晶化或纳米铣削不同，LPCVD-SiN的飞秒改性主要源于Si–N键解离和Si富集，形成高折射率的富硅相；PECVD-SiN中的连续波照射则依赖氢脱附。本方法在氧化物包层LPCVD-SiN上实现了小于0.1 nm的修整分辨率、0.075 dB/μm的额外损耗和30天内小于20 pm的谐振漂移，并与已报道的SOI和SiN修整技术相当。高剂量下相分离、成分不均匀和异质界面会增加散射，而a-Si、悬挂键等缺陷态会增加吸收；再退火可部分恢复可逆缺陷，但永久性界面散射难以消除。改性区域为多相体系，a-Si、nc-Si、缺陷态和异质界面对Δn_eff和光损耗的独立贡献仍需借助定量相分析、瞬态吸收测量和实时过程监测进一步研究。

结论：总之，研究人员研究了飞秒激光照射LPCVD-SiN所诱导的剂量依赖微结构演变，并展示了基于MRR的光子器件后制造修整。拉曼光谱、TEM/SAED和EDS显示，照射导致局部Si–N键解离和原子重排，产生显著的Si富集以及a-Si与nc-Si共存。这些变化提高了局部有效折射率并产生永久性谐振红移。单个MRR校准量化了有效折射率变化，实现了约0.1 nm的修整分辨率和0.075 dB/μm的额外损耗。局部激光再退火减轻了激光诱导缺陷，部分恢复了Q因子和ER，并将30天