一片微小的芯片上，竟能實現(xiàn)堪比光纖的超低損耗——這項突破正將光子計算、量子傳感等前沿技術(shù)推向全新高度。

近年來，光子集成電路在通信波段已取得顯著進(jìn)展，然而在波長更短的可見光與近紅外波段，材料吸收與散射損耗卻急劇上升，嚴(yán)重制約了其在光鐘、量子計算、生物成像等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。

2026年1月7日，《自然》雜志刊發(fā)一項重要研究，來自加州理工學(xué)院等機構(gòu)的研究團(tuán)隊成功開發(fā)出一種基于鍺硅酸鹽的超低損耗光子集成平臺，次在紫光至通信波段實現(xiàn)片上光纖級光學(xué)損耗，為可見光集成光子學(xué)打開了全新可能。

01 技術(shù)瓶頸

在波長較短的可見光與近紅外波段，光子集成電路面臨兩大根本性損耗機制：表面瑞利散射與材料吸收。隨著波長縮短，光更易受表面粗糙度影響，同時光子能量進(jìn)入非晶或晶體電介質(zhì)的Urbach吸收尾，損耗顯著增加。

許多重要光子應(yīng)用恰恰工作在這些波段，例如光學(xué)原子鐘、量子網(wǎng)絡(luò)、天文觀測、水下通信、激光雷達(dá)等。盡管二氧化硅與摻鍺二氧化硅在光纖中早已表現(xiàn)出極低的材料吸收，但將其轉(zhuǎn)化為平面集成光子電路卻一直面臨工藝挑戰(zhàn)。

02 平臺突破

研究團(tuán)隊次將光纖材料成功引入平面集成光子電路，開發(fā)出基于摻鍺二氧化硅的超低損耗光波導(dǎo)平臺。該平臺采用深紫外步進(jìn)式光刻與CMOS代工兼容工藝，在硅晶圓上制備出高質(zhì)量鍺硅酸鹽波導(dǎo)。

通過退火工藝，波導(dǎo)側(cè)壁在表面張力作用下實現(xiàn)原子級光滑度，顯著短波長散射損耗。測試表明，該平臺在458納米至1550納米波段均實現(xiàn)超高諧振品質(zhì)因子，高達(dá)到4.63億，對應(yīng)波導(dǎo)損耗僅0.08 dB/m，接近1970年康寧公司制備的個低損耗光纖水平。

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03 性能優(yōu)勢

該平臺在多個性能維度表現(xiàn)突出：在458納米處損耗較現(xiàn)有記錄降低13分貝；無需熱退火即可實現(xiàn)低于0.15 dB/m的波導(dǎo)損耗，為與溫度敏感材料異構(gòu)集成奠定基礎(chǔ)。

平臺支持色散工程，成功在單一微環(huán)諧振器中實現(xiàn)反常色散孤子微梳生成；通過鍺摻雜降低聲速，實現(xiàn)光場與聲場的同時局域，演示了片上受激布里淵激光；支持大模場面積設(shè)計，顯著降低熱折射噪聲，為低噪聲激光器提供理想載體。

04 應(yīng)用演示

研究團(tuán)隊通過三個關(guān)鍵實驗驗證了平臺的多功能性：在單個超高Q微環(huán)中生成孤子微梳，驗證了色散調(diào)控能力；實現(xiàn)全集成受激布里淵激光，展示了聲光協(xié)同局域效應(yīng)；將商用DFB激光器與鍺硅酸鹽微環(huán)耦合，實現(xiàn)赫茲量級線寬的自注入鎖定窄線寬激光。

尤為值得一提的是，該平臺在可見光波段成功將多模FP激光器鎖定至微環(huán)諧振器，在632納米、512納米和444納米波長分別實現(xiàn)15赫茲、12赫茲和90赫茲的極限線寬，較現(xiàn)有集成激光器提升超過20分貝。

05 制造工藝

該平臺采用完全CMOS代工兼容的制造流程：先在熱氧化硅晶圓上沉積4微米厚鍺硅酸鹽層，通過釕與二氧化硅硬掩模、深紫外光刻與電感耦合等離子體刻蝕形成脊形波導(dǎo)。

關(guān)鍵退火步驟在1000°C下進(jìn)行12–18小時，利用鍺硅酸鹽的低粘度特性實現(xiàn)表面張力驅(qū)動的平滑化。平臺支持上包層沉積，可采用PECVD或ICP-PECVD工藝制備包層，實現(xiàn)光學(xué)與聲學(xué)場的完全限制。

06 未來展望

這一突破性平臺不僅顯著降低了光子集成電路的傳播損耗，更通過材料與幾何特性的巧妙結(jié)合，實現(xiàn)了色散調(diào)控、聲光局域與噪聲的多重功能。

鍺硅酸鹽的光敏性為紫外寫入光柵提供了可能，有望在光子系統(tǒng)中實現(xiàn)光纖布拉格光柵的功能。盡管較低折射率對比度可能導(dǎo)致彎曲損耗增加，但可通過三維集成、增加鍺摻雜或在更短波長工作予以緩解。

隨著沉積與制備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，鍺硅酸鹽光子集成電路有望達(dá)到0.2 dB/km的材料極限損耗，對應(yīng)微諧振器Q因子將超過1000億。這種芯片上的“光纖級”光損耗，將推動固態(tài)陀螺儀、便攜式精密時鐘、量子計算電路等光纖技術(shù)的片上革命。

鍺硅酸鹽平臺已成功將半導(dǎo)體二極管激光器與超高Q微環(huán)諧振器集成，在可見光波段實現(xiàn)赫茲量級線寬激光輸出。這一突破不僅為集成可見光光子學(xué)設(shè)定了新的性能基準(zhǔn)，更將推動光學(xué)原子鐘、量子傳感器、高精度導(dǎo)航系統(tǒng)等前沿技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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