QoreTek的超低损耗氮化硅平台：技术突破与规模化应用基础

一、引言：低损耗光子集成的核心需求与氮化硅平台优势

在数据通信、量子计算等前沿领域，大规模光子集成电路（PIC）的性能直接取决于光信号传输过程中的损耗控制——低光学损耗是实现复杂功能集成、延长信号传输距离、提升系统能效的关键指标。氮化硅（Si₃N₄）凭借其宽透明光谱窗口与成熟的CMOS工艺兼容性，成为构建高性能PIC的理想平台，但要满足下一代大规模集成需求，必须同时攻克两大核心挑战：

一是实现波导的超低传播损耗，为光信号路由提供高质量基础；

二是开发高效无源构建模块，保障信号分配、耦合、交叉等核心功能的低损耗实现。

针对这一目标，杭州质禾QoreTek公司团队提出了一套“工艺优化+设计创新”的综合解决方案：通过定制化的制造流程提升器件工艺一致性，同时引入基于伴随法的逆向设计方法论，精准优化无源器件结构。该方案在6英寸晶圆上采用先进DUV减法工艺自主制备所有器件，最终构建出基于250nm厚氮化硅的超低损耗PIC平台，最低损耗＜0.5dB/m，功分器件插损＜0.05dB，且wafer内一致性好，为大规模、高性能光子系统的产业化提供了关键技术支撑。该工作在2025 ACP会议上发表。

二、波导损耗表征：超低损耗突破与晶圆级均匀性验证

为精准表征250nm厚氮化硅波导的损耗性能，团队采用了微环谐振器测试方案——制备不同宽度的单模与多模波导微环，通过谐振峰劈裂模型拟合谐振谱线，提取TE基模的本征损耗线宽，进而换算得到波导传播损耗；同时，为验证工艺的规模化可行性，在6英寸晶圆的多个芯片上，跨1480nm至1620nm的140nm宽光谱范围采集数据，开展统计分析。

测试结果显示，波导损耗与宽度呈现显著相关性：在1600nm波长附近，1.4μm宽单模波导的实测传播损耗为3.8 dB/m，统计分析得出的最大似然估计损耗值约为4.3 dB/m；2.8μm宽多模波导（两倍单模宽度）的实测损耗降至0.9 dB/m，统计最大似然估计值为1.0 dB/m；而4.2μm宽多模波导（三倍单模宽度）实现了0.5 dB/m的超低传播损耗，统计值为0.7 dB/m，创下该厚度氮化硅波导的损耗新低。

这一差异源于模式约束机制的不同：单模波导需将光场严格限制在窄空间内，导致光场与波导侧壁的相互作用增强，瑞利散射损耗升高；多模波导则通过宽松的光场分布降低了侧壁散射影响，从而实现更低损耗。

更重要的是，所有波导的损耗统计分布均呈现紧密聚类特征，无明显离散数据点，证明该制造工艺具备优异的晶圆级均匀性，为大规模批量生产提供了核心保障。

除此之外，质禾科技其他厚度的氮化硅平台同样具备不俗的损耗性能。弱限制150nm厚度的氮化硅多模波导损耗可以做到0.3dB/m，800nm强限制的反常色散多模波导损耗也低至1.8dB/m，且这些厚度下对应的功分器件损耗也都＜0.07dB，交叉波导损耗＜0.01dB。

三、无源构建模块开发：逆向设计驱动的高效能器件突破

基于超低损耗波导的基础优势，团队通过逆向设计方法论开发了一套完整的高性能无源构建模块库，覆盖光功率分配、光信号交叉、芯片-光纤耦合等核心功能，所有器件均保持超低插入损耗与宽波段稳定性能。

在光功率分配器件中，

1×2多模干涉仪（MMI）在1550nm中心波长处的插入损耗仅为20 mdB，且在整个C波段（1530-1565nm）范围内保持插入损耗低于23 mdB；

Y分支器件的1550nm插入损耗约为45 mdB，全C波段损耗不超过55 mdB；

2×2 MMI通过级联MZI结构测试，中心波长插入损耗约28 mdB，全C波段损耗低于54 mdB。

弯曲定向耦合器实现了精准的50:50功率分配，在C波段内与理想分光比的最大偏差不超过0.4%，满足对称信号分配需求。

波导交叉作为高密度集成的关键器件，其性能直接影响布线效率与信号完整性。该平台的波导交叉器件在1550nm处的插入损耗仅为4.5 mdB，全C波段损耗未超过6 mdB，有效降低了高密度集成中的信号衰减。

针对芯片与外部系统的接口需求，团队开发了适配2.5μm模场直径（MFD）光纤的边缘耦合器，实测耦合损耗低至1.2 dB/facet，且在全C波段呈现平坦响应，保障了宽带高效的芯片-光纤互联。

为验证平台的规模化生产潜力，团队对6英寸晶圆上的2×2 MMI器件进行了全晶圆插入损耗mapping测试。结果显示，多数芯片的C波段平均插入损耗集中在35 mdB至42 mdB之间，全晶圆均值为39.2 mdB，标准差仅2.7 mdB；对尺寸敏感的弯曲定向耦合器进行晶圆级表征，其分光比与理想50%的平均偏差仅0.77%，标准差0.49%。这种优异的空间均匀性与光谱稳定性，证明该平台具备高度的工艺可控性与可重复性，为高良率大规模PIC生产奠定了基础。

四、结论：超低损耗平台赋能大规模光子集成产业化

本研究成功构建了基于250nm厚氮化硅的超低损耗PIC平台，通过工艺优化与逆设计创新的协同，实现了两大核心突破：其一，在波导层面，达成了最低0.5 dB/m的传播损耗，且不同宽度波导均展现出优异的晶圆级均匀性；其二，在无源模块层面，通过伴随法逆向设计开发的系列核心器件，插入损耗均处于十毫分贝级，且在C波段保持宽带稳定性能。

该平台的技术价值不仅体现在性能指标的突破，更在于其高度的产业化兼容性——基于6英寸晶圆与成熟DUV减法工艺，可直接依托现有半导体制造体系实现规模化生产。未来，该平台将为数据通信如大端口数OCS、量子计算、SoW等领域的大规模光子集成系统提供核心支撑，推动超低损耗、高密度PIC的产业化应用迈向新阶段。