科技日報記者 張夢然
將光纖優異的低損耗性能延伸到光子芯片上，一直是光電子領域的重要挑戰。現在，美國加州理工學院團隊終于在可見光波段，成功制備出光纖水平的低損耗硅晶圓光導。這項進展將推動下一代高性能、高相干性的光子集成電路的發展，未來可廣泛應用于片上光學時鐘、陀螺儀等精密測量系統，以及人工智能數據中心通信和量子計算等領域。該成果發表于最新一期《自然》雜志。
團隊開發出一種新方法，可將與光纖相同的鍺硅酸鹽玻璃以光刻工藝制備在硅晶圓上，在光子芯片低損耗光導研究方面取得關鍵突破。他們使用8英寸或12英寸晶圓，制備出螺旋狀鍺硅酸鹽玻璃波導。這種結構能在有限面積內有效延長光路，同時材料便于與光纖和半導體激光器高效耦合，有助于降低數據中心等設施的能耗。
相比當前廣泛使用的氮化硅材料，新平臺在近紅外波段已具備相當性能，在可見光波段優勢更為明顯。再通過低溫退火工藝，波導表面可達到原子級平整，顯著抑制散射損耗。在可見光波段，其性能較氮化硅現有紀錄提升約20倍。
盡管芯片尺寸僅約2厘米，但光在環形諧振腔等器件中的有效路徑長度可達米至千米量級，此時低損耗尤為關鍵。
低損耗特性直接提升了器件性能。基于該平臺制備的激光器件，其相干時間較上一代技術提高100多倍。這一方法也擴展了可用波長范圍，有助于實現芯片級原子傳感器、光學時鐘和離子阱系統。
目前，團隊已利用該材料制備出環形諧振器、多種激光器及非線性頻率生成器等。
總編輯圈點
可見光在傳統硅材料中傳播時損耗顯著。為破解這一難題，研究團隊通過精密的光刻工藝，在硅晶圓表面刻蝕出特殊的光學回路，這就如同為光線修建了一條通暢的“高速公路”，極大減少了光在傳播過程中的散射損耗。該研究成果將為未來芯片技術帶來重要影響。它意味著，科學家有望在硅芯片上，用低損耗的可見光來進行高速數據傳輸和運算，從而大幅提升計算速度、降低能耗。這將為下一代光子集成電路、量子信息處理等領域打開新的大門。
