文／冯吉军

在当今的5G大数据时代，移动数据流量每年以超过50%的速度增长，这极大地加速了对数据中心的网络带宽、传输速度的需求。目前，为了满足通信网络所需的数据容量及带宽需求，网络设备商正在加快建造拥有超过10万台服务器的超大型数据中心。

随着数据中心中集群交换机内数据速率的增加，现有的电子数据切换系统面临功耗和延迟等各方面挑战，因此光交换技术的优势日益凸显。

高速光开关芯片和信号处理模块是光交换系统中最基本和最核心的部件，其重要性等同于电子设备中的处理器。未来全光交换要满足高速大容量和低时延交换的要求，大端口和快速切换的光开关以及滤波等芯片必不可少。光子集成技术能够大幅度减小系统体积、降低耗能和节约成本，因此全光交换网络中使用的大规模光开关与任意波形滤波器非常适合采用光子集成技术来实现。

氮化硅这一硅基材料具有从可见光到中红外光的宽透射谱，其与包覆层的折射率相差约0.5，比绝缘体上硅折射率差值小，使得波导尺寸在微米量级，相对降低了加工难度；同时又比高折射率玻璃平面光波导折射率差值大，使得器件尺寸相对较小。适中的折射率与器件尺寸也使得氮化硅波导成为十分具有前景的材料。

氮化硅材料也易于实现三维集成结构，在提供芯片集成度的同时可降低制备成本。基于此，我们实现了系列三维氮化硅波导芯片，如偏振分束器、高品质因子微环、微盘器件及其在通信滤波、生物检测等方面的应用。

此外，我国科学家团队研制了三维自耦合微环谐振器，充分利用三维氮化硅材料平台可实现分层制备谐振微腔与信号传输波导的特点，在微腔中同时激发顺时针和逆时针方向传播的谐振光波，形成类Sagnac干涉仪的结构，可完成不同出射波形的多自由度设计，并实现主动有效调控，在波分复用信号检出等方向应用广泛。

但对氮化硅波导，存在着很强的偏振依赖特性，限制其进一步的应用。我国科学家团队基于厚膜氮化硅材料设计、制造并表征了偏振无关的4×4矩阵光开关。首先设计了基于厚膜氮化硅的偏振无关3dB定向耦合器和完全交叉耦合器，在此基础上，实现了基于马赫-曾德干涉结构的矩阵光开关，偏振相关损耗仅为0.65dB，可实现高集成度的数据交换，在数据中心等领域具有较大应用前景。

利用氮化硅材料的适中折射率，也可与功能材料平台进行异质集成，如与多孔金材料进行集成，可通过波导实现表面增强拉曼信号激发，灵敏度较空间激发方式可提高一个数量级，可在生物灵敏检测方面实现广泛的应用。

相关氮化硅集成光子芯片，可以广泛应用在光通信、传感等领域，对促进我国通信技术以及光子技术的发展具有重要促进作用。