在集成光子學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)超低損耗一直是科研人員夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。如今，由加州理工學(xué)院、南安普敦大學(xué)與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，成功開(kāi)發(fā)出一種超低損耗摻鍺二氧化硅光子集成平臺(tái)，為這一領(lǐng)域帶來(lái)了重大突破。

摻鍺二氧化硅并非陌生材料，日常生活中廣泛使用的光纖便由它構(gòu)成。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體CMOS工藝，將這種光纖材料遷移至芯片上，打造出“片上光纖”。這款芯片性能卓越，是目前唯一能在可見(jiàn)光到近紅外波段實(shí)現(xiàn)小于1分貝/米（dB/m）超低損耗的光子芯片。在紫光波段（458nm），其損耗低至0.49dB/m；在1064nm處，損耗更是低至0.08dB/m，性能接近1970年康寧公司首次制成低損耗光纖時(shí)的水平。

研究團(tuán)隊(duì)基于這一“片上光纖”平臺(tái)，結(jié)合色散調(diào)控、聲光束縛與低噪聲設(shè)計(jì)，成功演示了光學(xué)頻率梳、布里淵激光與窄線寬激光器三種核心功能。這表明該平臺(tái)并非局限于單一功能，而是成為一個(gè)能同時(shí)支撐多種高性能光子器件的通用“工具箱”。尤為值得一提的是，團(tuán)隊(duì)將可見(jiàn)光芯片激光器的線寬壓窄到10Hz量級(jí)，相比之前的記錄優(yōu)化了2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，這對(duì)于工作在此波段的原子傳感器、光學(xué)原子鐘、中性原子/離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)意義重大。

低損耗對(duì)于光子芯片而言至關(guān)重要，堪稱其“生命線”?；ヂ?lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)全球數(shù)據(jù)光速通達(dá)，依靠的是光纖的超低損耗。如今，人們希望將這種強(qiáng)大的光信號(hào)處理能力集成到小小的光子芯片上，在極小面積內(nèi)集成很長(zhǎng)的光路、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。然而，光在微米甚至納米級(jí)通道中前進(jìn)時(shí)，會(huì)因材料吸收、散射及表面污染等原因不斷損耗能量。損耗值每升高1個(gè)數(shù)量級(jí)，光信號(hào)能有效傳輸?shù)木嚯x或能完成的復(fù)雜運(yùn)算步驟就會(huì)降低十倍，基于光學(xué)微腔的激光器能耗和相干性甚至?xí)夯俦?。因此，損耗水平?jīng)Q定了光子芯片能否從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。

過(guò)去十年，以氮化硅（Si3N4）和薄膜鈮酸鋰為代表的低損耗集成光學(xué)平臺(tái)在通信波段（約1550nm）取得巨大成功。但當(dāng)研究人員試圖將其推廣到波長(zhǎng)更短的可見(jiàn)光及近紅外波段（400 - 1100nm）時(shí)，卻遭遇了難以逾越的物理瓶頸。一方面，光在芯片波導(dǎo)中傳播時(shí)，波導(dǎo)側(cè)壁的粗糙度會(huì)使光子散射產(chǎn)生損耗，且波長(zhǎng)越短，散射越劇烈；另一方面，波長(zhǎng)越短，光子能量越高，被材料吸收轉(zhuǎn)化為熱量的概率也大大增加。開(kāi)發(fā)能在可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)超低損耗的平臺(tái)，需要材料體系純度、微納制備工藝與器件設(shè)計(jì)水平同時(shí)達(dá)到全新高度。

為攻克短波難題，研究團(tuán)隊(duì)從光纖設(shè)計(jì)中獲得靈感，在二氧化硅芯片波導(dǎo)中摻入二氧化鍺。這一舉措不僅改變了材料特性，提高了折射率以約束光場(chǎng)，還意外發(fā)現(xiàn)摻雜后材料的熔點(diǎn)降低?；诖?，團(tuán)隊(duì)利用代工廠標(biāo)準(zhǔn)的退火爐，在約1000℃下進(jìn)行晶圓級(jí)的熱回流處理，如同微觀“熨燙”，憑借表面張力將波導(dǎo)側(cè)壁打磨得原子級(jí)光滑，從根源上極大抑制了光散射損耗。例如在綠光波段，微環(huán)腔的品質(zhì)因子達(dá)到2億，相比氮化硅平臺(tái)躍升了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

除了追求極致低損耗，能否與現(xiàn)有CMOS代工工藝兼容，也是衡量光子集成平臺(tái)能否走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。此論文所開(kāi)發(fā)的光子芯片，生產(chǎn)過(guò)程中使用的等離子增強(qiáng)化學(xué)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(chǎn)線。半導(dǎo)體代工廠只需微調(diào)現(xiàn)有工藝，即可大規(guī)模生產(chǎn)這類光芯片。而且，由于光的波長(zhǎng)比電子波長(zhǎng)大，制備的光芯片特征尺寸也比計(jì)算機(jī)電子芯片大，對(duì)光刻精度要求更低，且可應(yīng)用熱回流“熨燙”修復(fù)技術(shù)，對(duì)側(cè)壁刻蝕粗糙度容錯(cuò)性大。即使在退火前，該光子芯片也能達(dá)到<1dB/m的超低損耗，與熱敏感材料具有良好的多材料異質(zhì)集成兼容性。

相關(guān)論文以《從紫光到近紅外波段，通往光纖級(jí)損耗的光子集成》為題發(fā)表。盡管研究團(tuán)隊(duì)邁出了用光纖材料實(shí)現(xiàn)低損耗光子芯片的重要一步，在可見(jiàn)到近紅外波段達(dá)到領(lǐng)先水平，但距離光纖的材料極限仍有百倍優(yōu)化空間。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)開(kāi)發(fā)更高質(zhì)量的沉積、刻蝕與退火工藝，實(shí)現(xiàn)芯片上0.2dB/km這一光纖級(jí)的超低損耗終極夢(mèng)想。這一平臺(tái)有望在精密測(cè)量、人工智能與光計(jì)算、量子信息等追求極致性能的前沿領(lǐng)域率先展現(xiàn)價(jià)值。