魔鬼藏在细节里：铜杂质是氮化硅光子集成电路热效应不稳定性问题的元凶！

无铜氮化硅光子集成电路中确定性孤子微梳的突破性进展——铜杂质被确认为限制微梳性能的关键因素，新型去铜工艺为光子芯片大规模应用铺平道路。

【瑞士洛桑，2025年10月】近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队在《自然》杂志上发表了一项具有里程碑意义的研究成果，成功在无铜氮化硅光子集成电路中实现了确定性孤子微梳*的生成。该研究首次揭示并解决了长期以来制约集成光学频率梳性能的核心问题——铜杂质引起的热不稳定性，并提出两种高效的铜去除工艺，为实现高可靠性、低功耗的片上光频梳系统扫清了障碍。

光学频率梳（微梳）能够在极宽的频率范围内产生一系列均匀间隔的相干光频线，广泛应用于光通信、激光雷达、精密测量和量子信息处理等领域。氮化硅（Si₃N₄）因其超低损耗和高非线性特性，成为实现集成微梳的理想平台。然而，热不稳定性一直阻碍着其在实际系统中的可靠运行。

EPFL团队通过系统的二次离子质谱分析与热响应测量，发现铜杂质是导致热吸收损耗增加、孤子产生困难的根本原因。这些铜并非来自制造设备，而是源自用于制造光子芯片的CMOS级硅晶圆本体，在高温退火过程中扩散至氮化硅波导中。

为解决这一问题，研究人员开发了两种创新的铜吸除技术：  

1. 牺牲性氮化硅吸除层，在退火过程中捕获铜后将其剥离；  

2. 埋层氮化硅扩散屏障，阻止铜进入光学活性区域。

实验表明，采用无铜衬底制备的氮化硅微谐振器，无需复杂激光调谐或反馈控制，即可实现100%成功率的孤子微梳生成，甚至在慢速扫描下也能稳定运行。这一突破显著降低了系统复杂度，提升了微梳的实用性与可扩展性。

“我们的工作不仅解决了微梳技术走向实际应用的关键瓶颈，也为未来超低损耗光子集成电路在通信、传感和量子计算等领域的大规模部署奠定了基础。”论文通讯作者、EPFL教授托比亚斯·基彭贝格表示。

该无铜硅晶圆技术已与代工厂标准工艺兼容，具备立即产业化的潜力。相关成果已于《自然》杂志正式发表，并同步公开实验数据与分析方法。

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Deeplight SA是一家瑞士初创公司，成立于2021年6月，专注于开发具有超低噪声和高频灵活性的光子集成电路（PICs）。他们的主要产品是一款连续波激光器，适用于多种应用，包括科学研究、工业用途和消费市场。该公司总部位于瑞士洛桑，因其在光子学领域的创新性贡献而获得认可。

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