光子芯片，有望实现超低损耗性能

加州理工学院的科学家们开发出一种在硅晶圆上传导光线的方法，其信号损耗极低，在可见光波段已接近光纤水平。这一成果为新一代超高相干性、高效率的光子集成电路（PIC） 奠定了基础，将对各类片上应用产生深远影响，包括精密测量领域的光钟（用于时间校准）、陀螺仪（用于旋转检测），以及AI数据中心通信乃至量子计算等场景。

光纤如何树立行业标准

即便我们大多未曾察觉，光纤早已遍布周遭。它连接着整个数字世界，让人们能够跨越距离近乎实时地通信与传输数据。光纤能实现这一点，很大程度上归功于其材质为超高纯度玻璃，且经过精密加工达到超光滑状态；光线从光纤一端入射时，几乎全部信号都能传输至另一端，不会被吸收、散射或以其他形式损耗。这便是科研人员所说的超低损耗性能。

加州理工学院信息科学与技术及应用物理学讲席教授克里・瓦哈拉表示：“多年来，我们一直致力于将卷轴式光纤制造工艺迁移到硅晶圆上，同时尽力保留光纤标志性的超低损耗特性。”

“我们研发出一种印制光路的方法，采用与光纤相同的材质，直接将光路制作于计算机芯片所用的 8 英寸和 12 英寸标准晶圆上。这种向光纤级性能的跨越，尤其是在可见光波段的突破，将催生一批得益于近乎可忽略的光路能耗损耗的全新技术。”

科学家们已在近期发表于《自然》期刊的论文中阐述了该方法。论文第一作者为加州理工学院博士后研究员Hao-Jing Chen与研究生Kellan Colburn（2025 届硕士），相关研究均在瓦哈拉实验室完成。

在芯片上印制类光纤光路

研究团队对光纤所用的锗硅酸盐玻璃进行工艺适配，通过基于光刻的制造工艺，制备出波导，即片上纳米级光传导通道。波导采用螺旋结构布局，以延长光程，原理类似将光线缠绕在光纤卷轴上，但借助纳米制造技术，其占用面积大幅缩小。

Henry Blauvelt表示：“锗硅酸盐波导不仅损耗极低，还能轻松实现光纤与半导体激光器之间的高效光传输，这对于降低服务器基础设施的整体能耗至关重要。”

基于加州理工团队新平台制备的器件，在近红外波段的性能已追平此前表现最优的氮化硅器件，氮化硅因数据传输低损耗特性，是光学领域的常用材料。而关键突破在于，新材料在可见光波段的性能显著优于氮化硅。

Hao-Jing Chen解释道：“得益于该材料相对较低的熔点，我们可将器件放入熔炉，对波导表面进行‘重熔流平’处理，使表面光滑度达到原子级，从根本上抑制了传统可见光光子集成电路所受的严重散射损耗。在可见光波段，我们的新平台性能较氮化硅的现有纪录提升了 20 倍，且仍有进一步优化空间。”

片上超低损耗的意义

光损耗对光学器件性能影响极大。例如，采用新平台制备的激光器件，其光相干保持时长较前代器件提升超 100 倍。Hao-Jing Chen称：“该方法实现的波长覆盖范围拓展，将支撑多项关键原子级操作，让芯片级原子传感器、光钟和离子阱系统成为可能。”

Colburn坦言，研究人员追求以 “每公里损耗百分比” 为衡量标准的超低损耗，初听或许 “有些不可思议”。“毕竟我们的芯片仅 2 厘米见方。但在实际应用中，这一特性能在诸多场景发挥强大作用。”

以环形谐振器为例，这类基础光学器件广泛应用于基础科学与数据传输领域。光线从单点进入环形谐振器后，会在环内持续传输很长时间，通过谐振效应放大特定频率的光。即便环形结构仅毫米级，光线在谐振器内的有效传输路径长度仍由波导损耗决定。

Colburn指出：“这正是米级乃至最终公里级低损耗的关键价值所在。光线循环传输的时间越长，最终器件的性能就越高。” 对于借助这类谐振器提升相干性的激光器，损耗每降低一个数量级，相干性便会提升两个数量级。

潜在应用与未来规划

实现可见光波段超低损耗波导的工程化具备广泛应用前景。瓦哈拉评价：“这项技术极具吸引力的原因之一，是它拥有瑞士军刀般的通用性，可适配各类应用场景。”

为印证这一点，研究团队在论文中展示了多款采用新材料制备的光学器件，包括环形谐振器、多类激光器，以及可产生多频段频率的非线性谐振器。

瓦哈拉表示，团队的研究才刚刚起步：“我们尚未达成全部目标，但过去五年已取得重大突破，这正是本次研究发布的核心成果。”