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

近年來(lái)，光子集成電路在通信波段已取得顯著進(jìn)展，然而在波長(zhǎng)更短的可見(jiàn)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(jì)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(xiàng)重要研究，來(lái)自加州理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種基于鍺硅酸鹽的超低損耗光子集成平臺(tái)，次在紫光至通信波段實(shí)現(xiàn)片上光纖級(jí)光學(xué)損耗，為可見(jiàn)光集成光子學(xué)打開(kāi)了全新可能。

01 技術(shù)瓶頸

在波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光與近紅外波段，光子集成電路面臨兩大根本性損耗機(jī)制：表面瑞利散射與材料吸收。隨著波長(zhǎng)縮短，光更易受表面粗糙度影響，同時(shí)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(cè)、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(tái)突破

研究團(tuán)隊(duì)次將光纖材料成功引入平面集成光子電路，開(kāi)發(fā)出基于摻鍺二氧化硅的超低損耗光波導(dǎo)平臺(tái)。該平臺(tái)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(guò)退火工藝，波導(dǎo)側(cè)壁在表面張力作用下實(shí)現(xiàn)原子級(jí)光滑度，顯著抑制短波長(zhǎng)散射損耗。測(cè)試表明，該平臺(tái)在458納米至1550納米波段均實(shí)現(xiàn)超高諧振品質(zhì)因子，高達(dá)到4.63億，對(duì)應(yīng)波導(dǎo)損耗僅0.08 dB/m，接近1970年康寧公司制備的個(gè)低損耗光纖水平。

03 性能優(yōu)勢(shì)

該平臺(tái)在多個(gè)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(wú)需熱退火即可實(shí)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(tái)支持色散工程，成功在單一微環(huán)諧振器中實(shí)現(xiàn)反常色散孤子微梳生成；通過(guò)鍺摻雜降低聲速，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)與聲場(chǎng)的同時(shí)局域，演示了片上受激布里淵激光；支持大模場(chǎng)面積設(shè)計(jì)，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(duì)通過(guò)三個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了平臺(tái)的多功能性：在單個(gè)超高Q微環(huán)中生成孤子微梳，驗(yàn)證了色散調(diào)控能力；實(shí)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(shí)現(xiàn)赫茲量級(jí)線寬的自注入鎖定窄線寬激光。

尤為值得一提的是，該平臺(tái)在可見(jiàn)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(zhǎng)分別實(shí)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(guò)20分貝。

05 制造工藝

該平臺(tái)采用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(guò)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(shí)，利用鍺硅酸鹽的低粘度特性實(shí)現(xiàn)表面張力驅(qū)動(dòng)的平滑化。平臺(tái)支持上包層沉積，可采用PECVD或ICP-PECVD工藝制備包層，實(shí)現(xiàn)光學(xué)與聲學(xué)場(chǎng)的限制。

06 未來(lái)展望

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

鍺硅酸鹽的光敏性為紫外寫(xiě)入光柵提供了可能，有望在光子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵的功能。盡管較低折射率對(duì)比度可能導(dǎo)致彎曲損耗增加，但可通過(guò)三維集成、增加鍺摻雜或在更短波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)微諧振器Q因子將超過(guò)1000億。這種芯片上的“光纖級(jí)"光損耗，將推動(dòng)固態(tài)陀螺儀、便攜式精密時(shí)鐘、量子計(jì)算電路等光纖技術(shù)的片上革命。

鍺硅酸鹽平臺(tái)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(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)赫茲量級(jí)線寬激光輸出。這一突破不僅為集成可見(jiàn)光光子學(xué)設(shè)定了新的性能基準(zhǔn)，更將推動(dòng)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(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

您好，可以免費(fèi)咨詢(xún)技術(shù)客服[Daisy]

筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司

歡迎大家給我們留言，私信我們會(huì)詳細(xì)解答，分享產(chǎn)品鏈接給您。

免責(zé)聲明：

資訊內(nèi)容來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如對(duì)文、圖等版權(quán)問(wèn)題存在異議的，請(qǐng)聯(lián)系我們將協(xié)調(diào)給予刪除處理。行業(yè)資訊僅供參考，不存在競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)濟(jì)利益。