别小看倍频。原子钟、卫星导航授时、量子传感,这些柜子大的设备想搬上芯片,卡点之一就是它。

波导材料是氮化硅,硅光子里最成熟的低损耗平台之一。厚氮化硅能调色散,激光进去,频谱被拉得很宽,叫超连续谱。原本是一根细橡皮筋,被拉成一张渔网。

但氮化硅是玻璃,分子排列乱、中心对称,没有二阶非线性。它能拉宽光谱,却不能倍频。像一个长跑运动员不会跳高。

铌酸锂正相反,是二阶非线性冠军,倍频本事比氮化硅的界面效应高近两个数量级。可它加工不如氮化硅成熟,还进不了标准CMOS产线,做它得建专用厂房。

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膜贴在哪一段,哪一段光谱就被转换。挪膜的位置,就能选不同频率做倍频、和频、差频。等于给芯片加了一个可调频率接口。

全球看,这是两条赛道合流。氮化硅,欧洲起步早,瑞士商用代工厂能把800纳米厚氮化硅做成标准晶圆;美国加州理工、哈佛、NIST等做了十多年光频梳、超连续谱。铌酸锂薄膜,过去十年从“神仙材料”变成集成光学当红平台,美欧中都在砸钱。不是某个课题组灵光一闪,是整条产业链往前拱。

铌酸锂薄膜,国内明显加速。上海交大、华东师大、清华、北大、华中科大、中科院半导体所等,在薄膜制备、高速调制器、光频梳、倍频器件上都有硬货,部分指标进国际第一梯队。产业端也有专门做薄膜和芯片的公司。材料+器件这一段,中国是并跑,个别点领跑。

氮化硅差距更实在。低损耗厚氮化硅的商用代工平台,欧洲起步早、工艺熟,国内能做到晶圆级、低损耗、参数稳定的产线不多。这是短板,得认。

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单点器件我们不虚,体系化、可量产的后道工艺,是接下来要啃的硬骨头。

f-2f自参考,就是让芯片自己给自己“对表”。光频梳发出一串等间距频率,要把一根梳齿的绝对位置钉死,常用办法是把低频端倍频,去和高频端拍频。过去这步多在芯片外用一台倍频器完成,体积、成本、稳定性都受限。现在同一根波导里既能撑开一个八度,又能就地倍频,芯片就有了自我校准能力。

往下走,是微型原子钟,是卫星导航被干扰时的自主授时,是量子传感器的“心跳”。往上走,是一种造芯片的方法论:不追求一种材料包打天下,让每种材料干最擅长的事,最后用后道工艺拼起来。

谁先把这道工序做成标准件,谁就先把下一代光系统的门票攥在手里。

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