“讓芯片上的光子通道能如同光纖玻璃般純淨透明，是我們課題組 20 多年以來一直追尋的夢想。如今通過製備工藝的突破，它正變得觸手可及。”談及發表在 Nature 上的光芯片論文，第一作者兼共同通訊作者、美國加州理工學院博士後陳豪敬對 DeepTech 介紹道。
圖丨陳豪敬（來源：受訪者）
這項研究來自加州理工學院、南安普敦大學與加州大學聖塔芭芭拉分校聯合團隊，他們共同開發了一種超低損耗摻鍺二氧化硅光子集成平臺。
“摻鍺二氧化硅聽起來像是一種很陌生的材料，其實存在於家家戶戶的光纖就是由這種玻璃材料構成的。現在我們通過標準半導體 CMOS 工藝將這種光纖材料遷移到芯片上，所以也稱它爲片上光纖。”陳豪敬表示。
值得注意的是，這款芯片是目前唯一能在可見光到近紅外波段實現小於 1 分貝/米（dB/m）超低損耗的光子芯片，在紫光波段（458nm）損耗低至 0.49dB/m，在 1064nm 處損耗低至 0.08dB/m，該性能接近於 1970 年康寧公司第一次製成低損耗光纖時的損耗水平。
圖丨摻鍺二氧化硅新質光子集成平臺（片上光纖）效果圖（來源：受訪者）
擁有一塊如同透明玻璃般的光子芯片，究竟能打開多少想象空間？
研究團隊基於這一“片上光纖”平臺，結合色散調控、聲光束縛與低噪聲設計，成功演示了光學頻率梳、布里淵激光與窄線寬激光器這三種核心功能。這標誌着該平臺並非只能實現單一功能，而是成爲一個能同時支撐多種高性能光子器件的通用“工具箱”。
尤爲重要的是，研究團隊將可見光芯片激光器的線寬壓窄到 10Hz 量級，相比之前的記錄優化了 2 到 3 個數量級，對於工作在此波段的原子傳感器、光學原子鐘、中性原子/離子阱量子計算系統至關重要。
圖丨窄線寬混合集成激光器（來源：Nature）
陳豪敬表示，這一工作攻克了集成光子學領域長期存在的損耗瓶頸，它不是單一的應用，而是從底層實現了平臺的突破。
基於這種高性能、寬波段的新質光子芯片，未來實驗室裏佔據一整張光學平臺的精密測量裝置，有望被集成到一枚指甲蓋大小的芯片上；人工智能的算力瓶頸，有可能通過光速傳輸與計算的低能耗芯片來突破；甚至構建量子計算機的核心部件，也有望能像搭積木一樣在芯片上規模化製備。
近日，相關論文以《從紫光到近紅外波段，通往光纖級損耗的光子集成》（Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared）爲題發表 Nature 上 [1]。
圖丨相關論文（來源：Nature）
低損耗：光子芯片的“生命線”
也許很多人沒意識到，我們每天使用的互聯網之所以能讓全球數據光速通達，憑藉的是其信息傳遞載體——光纖的超低損耗。可以把它想象成一條極其光滑、寬闊的超級高速公路，光信號作爲“快遞員”，能在其中跑得極快、極遠，而幾乎不消耗“體力”（能量）。
如今，人們希望將這種強大的光信號處理能力，壓縮到一枚小小的光子芯片上，在極小的面積內集成很長的光路、實現複雜的功能。
然而，光在這種微米甚至納米級通道中前進會因材料吸收、散射及表面污染等原因而不斷損耗能量。損耗值每升高 1 個數量級，光信號能有效傳輸的距離或能完成的複雜運算步驟，就會降低十倍，基於光學微腔的激光器能耗和相干性甚至能惡化百倍。因此，損耗水平可以說是光子芯片“生命線”，並決定其能否從實驗室走向實際應用。
過去十年來，以氮化硅（Si3N4）和薄膜鈮酸鋰爲代表的低損耗集成光學平臺在通信波段（約 1550nm）取得了巨大成功。然而，當研究人員試圖將這一範式推向波長更短的可見光及近紅外波段（400-1100nm）時，卻遇到了難以逾越的物理瓶頸。
一方面，光在芯片波導中傳播時，由於波導側壁的粗糙度，光子會被散射產生損耗。當光子“變小”，所有粗糙都被放大。如同小轎車與大型越野車駛過同一片碎石路，小轎車（短波長光子）受到的顛簸和偏離（散射）會劇烈得多。
另一方面，波長越短，光子能量更高，這就像光子進入了材料中更密集的“捕獲區”，被吸收轉化爲熱量的概率大大增加。因此，開發能在可見光波段實現超低損耗的平臺，需要材料體系純度、微納製備工藝與器件設計水平同時達到一個全新的高度。
（來源：受訪者）
爲了攻克短波難題，研究團隊從光纖設計中獲得靈感，創造性地在二氧化硅芯片波導中摻入二氧化鍺。這不僅像“調味”一樣改變了材料特性，提高了折射率以約束光場，還意外地發現摻雜後材料的熔點降低了。
這一發現帶來了關鍵的工藝突破：他們可以利用代工廠標準的退火爐，在約 1,000℃ 下進行晶圓級的熱迴流處理。這個過程如同微觀“熨燙”，憑藉表面張力將波導側壁打磨得原子級光滑，從而從根源上極大抑制了光散射損耗。
由此，團隊實現了性能的跨越，例如在綠光波段，微環腔的品質因子達到 2 億，相比氮化硅平臺躍升了 2 個數量級。“在可見光波段，我們實現了根本性的突破，”陳豪敬指出，相比於通訊波段已經成熟的“紅海”，一個全新的可見光與近紅外芯片應用“藍海”正在展開。
圖丨覆蓋紫外至近紅外波段的超高 Q 值摻鍺二氧化硅器件（來源：Nature）
兼容 CMOS 量產的工藝流程
除了追求極致的低損耗，能否與現有 CMOS 代工工藝兼容，是衡量一個光子集成平臺能否走向產業應用的另一個關鍵標尺。這決定了該技術能否依託半導體工業成熟的大規模製造體系，實現低成本、高一致性的生產，從而真正釋放其市場潛力。
而此論文所開發的光子芯片，其生產過程中使用的等離子增強化學氣相薄膜沉積（PECVD）、紫外光刻、電感離子耦合（ICP）刻蝕等工藝完全兼容 CMOS 產線。據團隊介紹，半導體代工廠只需微調現有工藝，即可大規模生產這類光芯片。
陳豪敬解釋道：“因爲光的波長比電子波長要大，我們製備的光芯片也比計算機電子芯片的特徵尺寸大，對光刻的精度要求更低。並且，由於可以應用熱迴流‘熨燙’修復技術，對側壁刻蝕的粗糙度也有很大的容錯性。”
此外，即使在退火前，該光子芯片也能達到<1dB/m 的超低損耗，這代表與熱敏感材料（包括三五族半導體激光器、薄膜鈮酸鋰、有機光電材料）具有良好的多材料異質集成兼容性。
圖丨CMOS 兼容性超低損耗光子芯片及其工藝流程（來源：Nature）
一塊低損耗光子芯片，能走多遠？
“客觀地說，我們雖然邁出了用光纖材料實現低損耗光子芯片的第一步，甚至在可見到近紅外波段達到了領先水平，但距離光纖的材料極限，還有百倍的優化空間。”陳豪敬表示。
研究團隊計劃通過開發更高質量的沉積、刻蝕與退火工藝，在芯片上實現 0.2dB/km 這一光纖級的超低損耗終極夢想。“我相信，這個平臺將在三個追求極致性能的前沿領域率先展現價值。”陳豪敬說。
圖丨光纖級低損耗光子集成迴路之夢（來源：受訪者）
在精密測量領域，極低的損耗能大幅提升光的相干性，能夠讓芯片級光學原子鐘、陀螺儀的精度發生質變，如同在寂靜的房間中捕捉一根針落地的聲音。
在人工智能與光計算領域，低損耗是構建大規模光神經網絡的前提，允許光信號在複雜芯片迴路中完成成千上萬次運算，從而釋放更高算力。
在量子信息領域，低損耗能極大降低量子計算錯誤率，同時也是構建大規模量子網絡與量子增強精密測量（如引力波探測）的基礎。
“Sand from centuries past: Send future voices fast.（古沙遞捷音，光纖所用的二氧化硅材料由沙石提煉而來。）”曾因光纖通信成就獲得諾貝爾獎的高錕先生，用這句話詩意地概括了自己的開創性工作。
如今，時間行至 21 又 2/4 世紀，一場關於這種傳奇材料的深刻變革正在芯片上悄然復興。研究人員不再僅僅滿足於用光纖連接世界，更致力於讓光在方寸之間完成更復雜的使命。從光纖到芯片，人類的信息正沿着這條愈發澄澈的微型光路，奔向更遠的未來。
參考資料：
1.相關論文開放獲取：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09889-w
運營/排版：何晨龍
