1 北京交通大学电子信息工程学院光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
2 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044
提出一种利用锁相双频激光作为泵浦源输入正常色散富硅氮化硅微环谐振腔产生光频率梳的方案。对富硅氮化硅微环谐振腔进行色散调控，实现1550 nm波段平坦正常色散优化设计。利用LLE（Lugiato Lefever equation）方程进行光频率梳产生仿真，分析改变泵浦失谐时光频率梳产生的时域和频域演化过程。同时，探究各项参数对光频率梳产生的影响，包括泵浦功率、双频激光功率占比、微腔波导损耗、微腔色散、双频激光频率间隔。仿真实现的光频率梳带宽可覆盖1520 nm到1580 nm。
非线性光学 光频率梳 富硅氮化硅 色散调控 微腔
1 1.中国科学院 理化技术研究所, 低温重点实验室, 北京 100190
2 2.齐鲁中科光物理与工程技术研究院, 济南 250000
陶瓷粉体的批次稳定性是陶瓷制品生产商最关心的核心指标, 却又长期无据可依。本研究以燃烧合成的氮化硅粉体为样本, 量化评价不同批次生产的氮化硅粉体的相似程度。首先构建了涵盖静态理化指标、动态流动性指标的粉体性能评价参数体系, 进而测试得到在该参数体系中氮化硅粉体的全部性能数据, 随后对所得性能数据分别采用余弦相似度法和欧氏距离法进行计算, 得到了粉体性能一致性评价数据。结果表明, 基于该参数体系的余弦相似度和欧氏距离均能反映批次粉体间的相似程度, 量化显示出不同批次粉体的差异, 两种方法的计算结果相互验证。对判定为不相似的粉体, 追溯工艺流程中的差异找到了控制氮化硅粉体一致性的关键环节—原料硅粉; 对判定为高度相似的粉体划分为同类, 为不同批次氮化硅粉体的类别划分提供了量化依据。该工作建立的“粉体性能一致性评价体系”为氮化硅粉体产品质量的批次稳定性(性能一致性)提供了有效的评价手段和量化依据。
一致性评价 氮化硅粉体 余弦相似度 欧氏距离 consistency evaluation silicon nitride powders cosine similarity Euclidean distance
1 1.中国科学院 理化技术研究所, 低温重点实验室, 北京 100190
2 2.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
随着以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体的崛起, 电力电子器件向高输出功率和高功率密度的方向快速发展, 对用于功率模块封装的陶瓷基板材料提出更高的性能要求。传统的Al2O3和AlN陶瓷由于热导率较低或力学性能较差, 均不能满足新一代功率模块封装的应用需求, 相较之下, 新发展的Si3N4陶瓷因兼具高强度和高热导率, 成为最具潜力的绝缘性散热基板材料。近年来, 研究人员通过筛选有效的烧结助剂体系, 并对烧结工艺进行优化, 在制备高强度高热导率Si3N4陶瓷方面取得一系列突破性进展。另外, 伴随覆铜Si3N4陶瓷基板工程应用的推进, 对其制成的基板的力、热和电学性能的评价也成为研究热点。本文从影响Si3N4陶瓷热导率的关键因素出发, 重点对通过烧结助剂的选择和烧结工艺的改进来提高Si3N4陶瓷热导率的国内外工作进行综述。此外, 首次系统总结并介绍了Si3N4陶瓷基板的介电击穿强度以及覆铜后性能评价研究的最新进展, 最后展望了高热导率Si3N4陶瓷基板的未来发展方向。
氮化硅 热导率 力学性能 烧结助剂 烧结工艺 综述 silicon nitride thermal conductivity mechanical property sintering additives sintering processes review
1 福建工程学院材料科学与工程学院，福州 350118
2 中材高新氮化物陶瓷有限公司，淄博 255000
3 中材人工晶体研究院有限公司，北京 100018
4 中材高新材料股份有限公司，北京 100102
采用注射成型与气压烧结结合的工艺，可以低成本、大批量制备出体积小、精度高的陶瓷异形件。本文以低密度聚乙烯(LDPE)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)为黏结剂，在注射温度165 ℃、注射压力85 MPa的条件下制备氮化硅坯体，通过热脱脂工艺和烧结动力学测试，得到了完整的氮化硅注射成型工艺路线，并研究了喂料固含量对坯体密度、烧结密度和维氏硬度的影响，以及喂料在140~160 ℃时的非牛顿指数变化。结果表明：喂料的最佳固含量为52.42%(体积分数)，该条件下制备的氮化硅注射坯体密度为2.10 g/cm3，烧结密度为3.23 g/cm3，维氏硬度为（15.24±0.34） GPa；喂料在160 ℃时的非牛顿指数最小，即在该温度下喂料的流变性最好。
氮化硅 注射成型 黏结剂 固含量 热脱脂 气压烧结 维氏硬度 silicon nitride injection molding binder solid content thermal degreasing pressure sintering Vickers hardness
1 东南大学 仪器科学与工程学院 微惯性仪表与先进导航教育部重点实验室， 江苏 南京 210096
2 东南大学 苏州校区 苏州市金属纳米光电技术重点实验室，江苏 苏州 215123
3 东南大学 电子科学与工程学院 信息显示与可视化国际合作联合实验室，江苏 南京 210096
光子集成芯片将多种功能器件进行片上集成，具有损耗低、带宽大、抗电磁干扰等优势，是当前光电领域发展的主流方向。集成光学器件的温度稳定性是影响其光学性能的重要因素之一。为了提高集成光学器件温度稳定性，提出了基于氮化硅（Si3N4）和长程表面等离激元（Long-Range Surface Plasmon Polariton，LRSPP）波导的温度不敏感结构，对器件性能随温度的漂移进行抑制和补偿。首先，分析了Si3N4波导和LRSPP波导对接的模式耦合效率，当满足最佳匹配条件时，可实现耦合效率99.9%以上的高效耦合。对混合波导的温度特性进行了分析，结果表明，当LRSPP波导和Si3N4波导的最佳长度比为 0.077，相位不随温度的变化而发生漂移，实现了温度不敏感的波导。当波导不能满足最佳长度比时，对LRSPP波导芯层施加电压实现主动补偿，亦可实现温度不敏感。此外，对LRSPP波导的传输特性进行了测试，测得偏振消光比为64 dB，具有良好的单偏振特性。文中提出的温度不敏感结构具有可主动调谐、损耗低、单偏振、普适性高等优点，能有效地解决Si3N4波导性能随温度变化发生漂移的问题，在Si3N4基光子集成芯片中具有广泛的应用前景。
光子集成芯片 温度不敏感 相位调谐 氮化硅 表面等离激元 photonic integrated circuits temperature insensitive phase tuning silicon nitride surface plasmon polariton 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220881
1 福建工程学院晶界工程研究所，福建工程学院材料科学与工程学院，福州 350118
2 中材高新氮化物陶瓷有限公司，山东 淄博 255022
3 中材高新材料股份有限公司，北京 100021
由于较高的综合力学性能，氮化硅陶瓷球得到广泛的工程应用，但是极端工况下依然存在明显失效开裂现象。在一般氧化物烧结助剂的基础上添加少量过渡金属化合物能起到优化材料设计和进一步提高性能的作用，但是相关作用机理还未有明确探知。在添加Al2O3和Y2O3烧结助剂基础上，分别添加TiN、Fe3Si和WC等过渡金属化合物，并采用热等静压烧结方法制备了氮化硅陶瓷轴承球。采用X射线衍射检测其物相组成，采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究其组织结构特点，并使用纳米压痕法对其力学性能进行了研究。结果表明，添加TiN可有效抑制烧结过程中有害物相Si2N2O的生成；添加TiN和WC有利于烧结过程Al和O向氮化硅基体中扩散，形成了Sialon相；添加Fe3Si则不具有上述作用；添加TiN可获得晶粒尺寸细小均匀的β-Si3N4组织；添加Fe3Si会生成粗大β-Si3N4晶粒相互穿插桥接且其空隙填充细小β-Si3N4晶粒的烧结组织；添加WC则生成粗细晶共存的非均匀组织。与添加Fe3Si和WC相比，添加TiN的氮化硅陶瓷球具有更高的硬度和更大的弹性模量等更好的力学性能。
过渡金属化合物 氮化硅陶瓷轴承球 显微组织 晶界偏聚 transition metal compounds silicon nitride ceramic balls microstructure grain boundary segregation
1 山东工业陶瓷研究设计院有限公司, 淄博 255000
2 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001
通过β-Si3N4长柱状晶粒生长搭接构建材料微孔隙结构, 成功制备了兼具高孔隙率、小孔径及窄孔径分布的多孔氮化硅毛细芯, 研究了不同烧结温度、成型压力、造孔剂含量对材料孔隙参数的影响, 测试了环路热管多孔毛细芯的热力学性能。结果表明: 当烧结温度、成型压力、造孔剂含量作用于材料微孔隙结构调控时, 均呈现与孔径分布相关的规律; 随孔隙率增加, β-Si3N4柱状晶粒直径减小、长径比增加, 形成的搭接骨架趋于细密, 起到分割晶间孔隙的作用, 在一定范围内抵消了由孔隙率增加引起的孔径增大, 实现了材料小孔径和高孔隙率的协同, 呈现出与常规颗粒堆积烧结成孔材料时, 随孔隙率的增加孔径增大不一样的作用规律; 当所制备的典型多孔毛细芯材料孔隙率为540%时, 渗透率达6.5×10-14 m2, 平均孔径仅为0.3 μm, 且超过95%的孔隙孔径介于0.1~0.4 μm, 最大毛细力达62 kPa, 热负荷功率大于200 W。
多孔氮化硅 毛细芯 孔隙参数 渗透率 毛细抽吸性能 环路热管 porous silicon nitride capillary wick pore parameter permeability capillary suction performance loop heat pipe
1 山东工业陶瓷研究设计院有限公司, 淄博 255000
2 济南大学材料科学与工程学院, 济南 250022
以羧甲基纤维素(CMC)为黏结剂, 通过挤出成型的方式制备氮化硅陶瓷管材, 并研究了黏结剂含量对陶瓷管材生坯性能的影响, 烧结温度对氮化硅陶瓷相对密度、弯曲强度和微观形貌的影响, 以及氮化硅陶瓷的高温强度性能。结果表明: 黏结剂含量为7%(质量分数)时, 可制得干燥收缩均匀、表面光滑、无微裂纹的陶瓷管材生坯; 烧结温度在1 740 ℃时, 氮化硅陶瓷的相对密度和弯曲强度达到最大值, 分别为96%和(684±23) MPa, 其1 200 ℃时的弯曲强度达(380±21) MPa, 具有良好的高温强度性能。
陶瓷 氮化硅 挤出成型 弯曲强度 显微结构 烧结温度 ceramics silicon nitride extrusion flexural strength microstructure sintering temperature
Author Affiliations
Abstract
1 Huazhong University of Science and Technology, School of Optical and Electronic Information, Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan, China
2 Optics Valley Laboratory, Wuhan, China
Silicon nitride (Si3N4) waveguides with high confinement and low loss have been widely used in integrated nonlinear photonics. Indeed, state-of-the-art ultralow-loss Si3N4 waveguides are all fabricated using complex fabrication processes, and all of those reported that high Q microring resonators (MRRs) are fabricated in laboratories. We propose and demonstrate an ultralow-loss Si3N4 racetrack MRR by shaping the mode using a uniform multimode structure to reduce its overlap with the waveguide. The MRR is fabricated by the standard multi project wafer (MPW) foundry process. It consists of two multimode straight waveguides (MSWs) connected by two multimode waveguide bends (MWBs). In particular, the MWBs are based on modified Euler bends, and an MSW directional coupler is used to avoid higher-order mode excitation. In this way, although a multimode waveguide is used in the MRR, only the fundamental mode is excited and transmitted with ultralow loss. Meanwhile, thanks to the 180 deg Euler bend, a compact chip footprint of 2.226 mm perimeter with an effective radius as small as 195 μm and a waveguide width of 3 μm is achieved. Results show that based on the widely used MPW process, a propagation loss of only 3.3 dB / m and a mean intrinsic Q of around 10.8 million are achieved for the first time.
silicon nitride microring resonator ultrahigh-Q factor Advanced Photonics Nexus
2023, 2(4): 046007
1 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
基于氮化硅的微腔是一种应用广泛的集成光学器件，不仅可以输出用于精密测距和光钟的光频梳，而且能够作为高效的片上量子光源。微腔中光频梳的稳定性是实际应用的重要条件。在理论和实验上研究了氮化硅微腔中光频梳的演化及热自稳定性。在微腔非线性过程和热动力学的基础上，分析了在不同功率和失谐的连续光泵浦下微腔中光频梳的梳态演化和热自稳定性。结果表明，可以通过精确控制微腔的泵浦功率和失谐量调节“图灵环”态的输出，同时微腔系统可通过功率和波长扰动导致的共振漂移补偿噪声的影响，实现稳定运转。该研究为基于微腔量子光源的实验提供了必要基础。
光频梳 氮化硅 热自稳定性 四波混频 量子光学 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106029
