當(dāng)芯片級(jí)光頻梳越來越接近真實(shí)應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，問題不只在光學(xué)設(shè)計(jì)和控制算法，也可能在最不起眼的材料污染里。

過去幾年，光子芯片領(lǐng)域有一個(gè)很有想象力的方向：把原本龐大的光頻梳系統(tǒng)，縮小到一顆芯片上。傳統(tǒng)光頻梳像一把極其精密的“光學(xué)尺子"，可以把頻率分成一排間隔穩(wěn)定的刻度；而微腔光頻梳，常被簡(jiǎn)稱為“微梳"，則試圖用微諧振腔在芯片上完成類似功能。

如果這件事足夠穩(wěn)定、足夠可制造，它會(huì)影響很多應(yīng)用：相干光通信需要多波長(zhǎng)光源，F(xiàn)MCW LiDAR 需要穩(wěn)定掃頻和相干檢測(cè)，精密光譜需要密集而可靠的頻率刻度，微波光子學(xué)和光學(xué)計(jì)算也需要低噪聲、高重復(fù)性的光源平臺(tái)。微梳之所以被反復(fù)提起，就是因?yàn)樗瑫r(shí)踩中了“小型化、集成化、晶圓級(jí)制造"這幾個(gè)關(guān)鍵詞。

但從實(shí)驗(yàn)室演示到工程產(chǎn)品，中間常常差一個(gè)詞：確定性。也就是說，系統(tǒng)不能只是“有時(shí)候能跑出來"，而要能在可接受的操作條件下穩(wěn)定啟動(dòng)、重復(fù)進(jìn)入目標(biāo)狀態(tài)，并且不需要過于復(fù)雜的外部補(bǔ)救方案。

微梳真正難的地方：進(jìn)入孤子態(tài)

在很多高性能微梳中，理想工作狀態(tài)是耗散克爾孤子，英文常寫作 DKS。可以把它粗略理解為微腔里的一個(gè)穩(wěn)定光脈沖狀態(tài)：它既依賴非線性光學(xué)效應(yīng)，也依賴腔損耗、色散、泵浦激光和失諧條件之間的平衡。

問題在于，這種平衡不容易“自然落進(jìn)去"。泵浦激光掃描微腔諧振時(shí)，腔內(nèi)光強(qiáng)會(huì)變化；材料吸收光以后會(huì)發(fā)熱；熱又會(huì)改變諧振腔的位置。于是，原本應(yīng)該被激光掃到的孤子窗口會(huì)移動(dòng)、變窄，甚至在操作過程中溜走。

因此，很多實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)使用快速掃頻、脈沖泵浦、輔助激光、反饋控制等方法。這些方法很聰明，也確實(shí)有效，但它們帶來一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題：系統(tǒng)越復(fù)雜，越難成為穩(wěn)定、低成本、易部署的產(chǎn)品。對(duì)于工程化來說，理想的結(jié)果不是把控制做得越來越復(fù)雜，而是讓器件本身更容易進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

微梳進(jìn)入 DKS 狀態(tài)時(shí)，熱漂移會(huì)改變有效失諧條件，使穩(wěn)定窗口變得更難把握。

一個(gè)反直覺線索：?jiǎn)栴}可能來自“銅"

熱從哪里來？最直接的答案是：光被材料吸收后變成熱。對(duì)于低損耗氮化硅（Si₃N₄）光子芯片來說，人們通常會(huì)關(guān)注波導(dǎo)側(cè)壁粗糙、材料本征吸收、工藝殘留等因素。但最近的研究給出了一個(gè)更具體、也更容易被忽略的線索：痕量銅雜質(zhì)可能進(jìn)入了 Si₃N₄ 波導(dǎo)，并帶來額外吸收。

銅在日常語(yǔ)境里并不陌生，但放到低損耗光子芯片里，它就不是一個(gè)友好的元素。即便濃度很低，過渡金屬雜質(zhì)也可能在近紅外波段產(chǎn)生吸收中心。對(duì)微梳來說，這種吸收的影響會(huì)被放大：微腔本來就是讓光在小體積內(nèi)反復(fù)循環(huán)，任何微小吸收都可能累積成明顯熱效應(yīng)。

更值得注意的是，銅不一定來自某個(gè)顯眼的污染步驟。研究顯示，商業(yè) CMOS 級(jí)硅晶圓中可能存在殘留銅污染；在高溫退火等工藝過程中，銅可以從硅襯底遷移，并被 Si₃N₄ 層吸雜進(jìn)去。換句話說，微梳啟動(dòng)不穩(wěn)定的問題，可能早在襯底材料階段就已經(jīng)埋下伏筆。

如果污染源來自硅襯底，那么問題就不只是后段清潔，而是襯底和前道工藝控制。

解決思路：不是“更會(huì)控制"，而是“更干凈地制造"

這類研究對(duì)產(chǎn)業(yè)界的啟發(fā)在于，它把微梳穩(wěn)定性問題從控制層面推進(jìn)到制造層面。過去我們可能會(huì)問：“怎樣掃描激光，才能更容易進(jìn)入孤子態(tài)？"現(xiàn)在還要多問一句：“器件里有沒有不該出現(xiàn)的吸收中心？"

針對(duì)銅污染，比較直觀的路線有兩類。第一類是吸雜處理：先用特定工藝把硅片中的銅“拉"到犧牲層里，再把犧牲層去掉。第二類是擴(kuò)散阻擋：在硅襯底和光子器件層之間設(shè)置更有效的阻擋層，減少銅在高溫過程中向上遷移。兩條路線的目標(biāo)一致：盡量別讓銅進(jìn)入真正承載光場(chǎng)的 Si₃N₄ 波導(dǎo)。

這聽起來像工藝細(xì)節(jié)，卻可能直接影響系統(tǒng)體驗(yàn)。因?yàn)闊嵛战档秃?，微腔諧振的熱漂移會(huì)減弱，孤子臺(tái)階會(huì)更清晰、更長(zhǎng)，系統(tǒng)也更容易通過普通掃描進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)使用者來說，最終感受到的不是“銅少了一點(diǎn)"，而是“這個(gè)微梳更容易啟動(dòng)，更容易重復(fù)，更少依賴復(fù)雜技巧"。

材料污染控制可以成為微梳工程化的一部分，而不只是實(shí)驗(yàn)室里的后驗(yàn)優(yōu)化。

這對(duì)國(guó)內(nèi)光子市場(chǎng)意味著什么？

從應(yīng)用端看，很多客戶并不關(guān)心微梳內(nèi)部用了多少?gòu)?fù)雜技巧，他們關(guān)心的是：能不能穩(wěn)定啟動(dòng)？能不能長(zhǎng)期運(yùn)行？不同批次是不是一致？系統(tǒng)集成后是否還需要大量調(diào)參？這些問題最終都會(huì)回到器件一致性和制造可控性。

對(duì)于面向通信、激光雷達(dá)、傳感和量子光子方向的公司來說，無(wú)銅襯底或銅擴(kuò)散控制的意義，不只是“材料更純"。它可能成為一種差異化能力：把過去依賴調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的微梳啟動(dòng)，變成更接近產(chǎn)品化的標(biāo)準(zhǔn)流程。

當(dāng)然，這并不意味著只要解決銅污染，微梳就自動(dòng)變成成熟產(chǎn)品。微梳系統(tǒng)還涉及封裝、溫控、泵浦激光、驅(qū)動(dòng)電子學(xué)、長(zhǎng)期可靠性、成本和應(yīng)用適配。但這項(xiàng)工作的啟發(fā)在于：有些看起來像系統(tǒng)控制問題的難題，根因可能在材料和工藝；而真正可規(guī)?；慕鉀Q方案，往往要從更早的制造環(huán)節(jié)開始。

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參考來源：Xinru Ji 等，Copper-impurity-free photonic integrated circuits enable deterministic soliton microcombs，arXiv:2504.18195v1；正式論文題名為 Deterministic soliton microcombs in Cu-free photonic integrated circuits，Nature 646, 843-849 (2025)。