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厚LPCVD SiN波导的制造 由于薄膜中的高内部应力，生长厚LPCVD SiN是半导体行业中的一个已知挑战。然而，在某些近红外（NIR）模态特性上，所需的SiN厚度通常在1 µm左右。制造厚LPCVD SiN波导有几种方法，包括光子Damascene工艺。在我们的方法中，我们在2.2 µm厚的SiO2底部包覆层上，沉积并图案化两个分别为400 nm厚的SiN层。这两层SiN的总厚度可达到800 nm。这种方法使我们能够在同一芯片上同时制造400 nm和800 nm厚的SiN波导（见图1），以适应不同的器件应用。通过imec的200毫米晶圆制造线，我们实现了SiN厚度在晶圆内的±1.5%变化。由于双层结构，它在波导横截面的设计上提供了更多的灵活性

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摘要：我们展示了厚度为800 nm的低损耗双层LPCVD SiN光波导，通过可调的轮廓形状设计来调控模态特性。我们在1550 nm波长下实现了<10 dB/m的损耗，并且波导之间的垂直过渡几乎没有损耗。

OCIS代码：（130.3120）集成光学器件；（130.3130）集成光学材料

引言 光子集成电路（PICs）是光通信、空中传感、激光雷达、成像和其他需要光学引擎的应用中的关键技术。PICs具有小型化、低功耗和在标准CMOS铸造厂中的大规模生产能力。对于高端应用，如精密计量、量子通信和传感，低损耗SiN波导和高Q腔体受到高度关注。例如，SiN波导是锁模激光外腔的有前景的候选材料：它们具有低非线性、低损耗，并且在宽范围内允许群速度色散（GVD）调节。低损耗的厚SiN也是生成宽带光学频率梳的有前景候选材料。

在我们的工作中，我们开发了一个厚双层低压化学气相沉积（LPCVD）SiN光子平台，适用于C波段和L波段操作，相比传统的Si光子学具有更多优势。与Si PICs相比，LPCVD SiN在近红外（NIR）范围内具有更低的线性和非线性损耗，对温度的敏感性较低，并且由于双层结构，它在波导横截面的设计上提供了更多的灵活性。这种双层结构使得开发如偏振旋转器和模态滤波器等器件成为可能。通过调节波导色散，也可以满足某些复杂应用的需求，例如脉冲压缩、啁啾脉冲放大、锁模激光腔体色散工程或微型谐振腔Kerr孤子生成。

厚LPCVD SiN波导的制造 由于薄膜中的高内部应力，生长厚LPCVD SiN是半导体行业中的一个已知挑战。然而，在某些近红外（NIR）模态特性上，所需的SiN厚度通常在1 µm左右。制造厚LPCVD SiN波导有几种方法，包括光子Damascene工艺。在我们的方法中，我们在2.2 µm厚的SiO2底部包覆层上，沉积并图案化两个分别为400 nm厚的SiN层。这两层SiN的总厚度可达到800 nm。这种方法使我们能够在同一芯片上同时制造400 nm和800 nm厚的SiN波导（见图1），以适应不同的器件应用。通过imec的200毫米晶圆制造线，我们实现了SiN厚度在晶圆内的±1.5%变化。

图1. 厚LPCVD SiN堆叠示意图（a）和800 nm厚、900 nm宽波导横截面的透射电子显微镜（TEM）图像（b）。

特性表征与结果
在1500-1620 nm范围内测量了波导的传播损耗。在1550 nm波长处，800 nm厚波导的最低损耗为0.09±0.01 dB/cm（波导顶部宽度为1400 nm，底部宽度为1300 nm，见图2a）。
从图2a可以看出，在1520 nm处存在一个N-H吸收峰，这是PECVD和LPCVD SiN的典型特征。为了降低传播损耗，目前正在进行高温处理实验，以打破N-H键，进一步降低损耗到当前值以下。
我们设计了锥形过渡结构，以将光从400 nm厚的波导耦合到800 nm厚的波导中，测试结果显示2000 nm宽波导的插入损耗为-0.006 dB，900 nm宽波导的插入损耗为-0.016 dB。通过设计双层波导的几何形状，可以调节波导色散。
在图2b中，我们展示了1900/1300 nm波导的模拟色散，该色散几乎是平坦的，在C波段内接近0 ps/nm-km。这种程度的色散控制将使得实现双层SiN波导的光子集成电路（PICs）用于高端应用成为可能。

结论
我们报告了在1550 nm波长下，损耗低于10 dB/m的800 nm厚双层LPCVD SiN波导。我们已经开发了从400 nm厚波导到800 nm厚波导的垂直过渡，插入损耗约为-0.01 dB。这种平台所提供的波导轮廓设计灵活性，使其成为波导色散工程的强大工具。

作者 ：A. Marinins1*, J. Kjellman1, C. Caer1, T. David1, X. Rottenberg1, R. Jansen1,

P. Soussan1*

单位：1. IMEC, Leuven, 3000, Belgium