用于低损耗集成光子学和非线性光学的简化氮化铝加工工艺

芯片上的光变得更容易实现

我们的手机、互联网，甚至未来的量子计算机，越来越依赖于用光而非电来传输信号的小型电路。本文介绍了一种用氮化铝构建此类导光电路的新且更简便的方法。氮化铝是一种坚固且高度透明的晶体材料，能够以强大的方式弯曲、混合并倍增光的颜色。通过简化这些结构的制造流程，这项工作使先进的光学技术更接近于成本更低、更可靠且更易于规模化的实际设备。

为什么这种晶体很重要

氮化铝对光子芯片具有吸引力，因为它在一种材料中结合了多种有用特性。它在从紫外到红外的宽波段内透明，具有良好的导热性，并且在光或电场作用下响应强烈。这些特性使其能够将一种颜色的光转换为另一种、快速调制用于数据传输的光信号，甚至探测红外辐射。然而，迄今为止，要在芯片上充分利用氮化铝，仍需复杂且精细的制造步骤，这会拖慢研究进度并增加成本。

更简单的刻蚀光路方法

研究人员开发了一种更清洁、更紧凑的工艺，用于在氮化铝上刻蚀称为微谐振腔的微小环形光路。传统方法需要多层坚硬的保护层和金属涂层来应对苛刻的刻蚀工艺并防止在图形写入过程中产生电荷。而新方法仅依赖一层薄薄的氮化硅作为硬掩膜，外加涂在光刻胶上的临时导电聚合物。该聚合物在曝光期间发挥屏蔽作用，然后在标准显影步骤中溶解，所以不需要额外的去除工序。

从平坦晶圆到精密环形结构

从商业生长在蓝宝石晶体上的氮化铝薄膜开始，团队先在表面沉积氮化硅掩膜，然后涂覆光刻胶和导电层。他们使用聚焦电子束写出所需的环和波导形状，将该图形转移到掩膜中，然后用经精细调校的氯基等离子体深刻蚀氮化铝。由于掩膜具有很强的抗蚀性，他们可以去除约800纳米的材料，而只消耗掩膜厚度的一小部分，实现约四比一的刻蚀选择比。显微图像显示侧壁平滑且轮廓清晰，模拟表明任何留在顶部的超薄氮化硅不会干扰环内光的束缚或色散特性。

测试光在腔内的循环表现

为了评估这些微小光赛道的实际品质，作者通过耦合到环的总线波导发送受控激光束，并测量谐振的锐度。从这些测量中他们推导出品质因数（Q值），该数值指示光在衰减前能循环的时长。他们的器件达到约一百万的内在品质因数，对应于光在环中传播时的极低损耗。他们还确认这些环工作在有利于形成超短光脉冲（称为孤子）的色散区，这对许多先进光学功能很重要。

将单色光变成完整光谱

凭借低损耗和合适的色散，同一芯片可以承载多种非线性光学效应，在这些效应中，强光自我重塑并产生新颜色。当团队用强红外光泵浦一个环时，它会产生一个均匀间隔的频率“梳”，适用于精密时序和光谱学。他们还观察到拉曼激光作用（光与晶格振动相互作用产生频移颜色）、三次谐波生成（将红外光转换为明亮的绿色）以及超连续谱生成（超短脉冲扩展为从可见到中红外的平滑光谱）。这些演示表明，简化的工艺并未牺牲性能；相反，它在单芯片上解锁了高度多功能的光学工具箱。

这对未来的意义

通俗地说，研究人员找到了一种既更简单又更温和的氮化铝芯片加工方式，同时仍能产生异常干净的光学电路。该方法避免了金属掩膜和额外的加热步骤，却能提供长寿命的光存储和丰富的颜色转换效应。由于相同的工艺可扩展到用于中红外的更厚结构，它为从高速通信和精密时钟到化学传感和量子技术等紧凑设备铺平了道路——所有这些都建立在一个稳健且可扩展的平台上。

引用: Yan, H., Zhang, S., Pal, A. et al. Simplified aluminum nitride processing for low-loss integrated photonics and nonlinear optics. npj Nanophoton. 3, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00107-7

关键词: 集成光子学, 氮化铝, 非线性光学, 频率梳, 光子芯片