“透明玻璃”光芯片诞生！有望用于精密测量、AI算力和量子计算

“让芯片上的光子通道能如同光纤玻璃般纯净透明，是我们课题组 20 多年以来一直追寻的梦想。如今通过制备工艺的突破，它正变得触手可及。”谈及发表在 Nature 上的光芯片论文，第一作者兼共同通讯作者、美国加州理工学院博士后陈豪敬对 DeepTech 介绍道。

图丨陈豪敬（来源：受访者）

这项研究来自加州理工学院、南安普敦大学与加州大学圣塔芭芭拉分校联合团队，他们共同开发了一种超低损耗掺锗二氧化硅光子集成平台。

“掺锗二氧化硅听起来像是一种很陌生的材料，其实存在于家家户户的光纤就是由这种玻璃材料构成的。现在我们通过标准半导体 CMOS 工艺将这种光纤材料迁移到芯片上，所以也称它为片上光纤。”陈豪敬表示。

值得注意的是，这款芯片是目前唯一能在可见光到近红外波段实现小于 1 分贝/米（dB/m）超低损耗的光子芯片，在紫光波段（458nm）损耗低至 0.49dB/m，在 1064nm 处损耗低至 0.08dB/m，该性能接近于 1970 年康宁公司第一次制成低损耗光纤时的损耗水平。

（来源：受访者）

拥有一块如同透明玻璃般的光子芯片，究竟能打开多少想象空间？

研究团队基于这一“片上光纤”平台，结合色散调控、声光束缚与低噪声设计，成功演示了光学频率梳、布里渊激光与窄线宽激光器这三种核心功能。这标志着该平台并非只能实现单一功能，而是成为一个能同时支撑多种高性能光子器件的通用“工具箱”。

尤为重要的是，研究团队将可见光芯片激光器的线宽压窄到 10Hz 量级，相比之前的记录优化了 2 到 3 个数量级，对于工作在此波段的原子传感器、光学原子钟、中性原子/离子阱量子计算系统至关重要。

图丨窄线宽混合集成激光器（来源：Nature）

陈豪敬表示，这一工作攻克了集成光子学领域长期存在的损耗瓶颈，它不是单一的应用，而是从底层实现了平台的突破。

基于这种高性能、宽波段的新质光子芯片，未来实验室里占据一整张光学平台的精密测量装置，有望被集成到一枚指甲盖大小的芯片上；人工智能的算力瓶颈，有可能通过光速传输与计算的低能耗芯片来突破；甚至构建量子计算机的核心部件，也有望能像搭积木一样在芯片上规模化制备。

近日，相关论文以《从紫光到近红外波段，通往光纤级损耗的光子集成》（Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared）为题发表 Nature 上 [1]。

图丨相关论文（来源：Nature）

低损耗：光子芯片的“生命线”

也许很多人没意识到，我们每天使用的互联网之所以能让全球数据光速通达，凭借的是其信息传递载体——光纤的超低损耗。可以把它想象成一条极其光滑、宽阔的超级高速公路，光信号作为“快递员”，能在其中跑得极快、极远，而几乎不消耗“体力”（能量）。

如今，人们希望将这种强大的光信号处理能力，压缩到一枚小小的光子芯片上，在极小的面积内集成很长的光路、实现复杂的功能。

然而，光在这种微米甚至纳米级通道中前进会因材料吸收、散射及表面污染等原因而不断损耗能量。损耗值每升高 1 个数量级，光信号能有效传输的距离或能完成的复杂运算步骤，就会降低十倍，基于光学微腔的激光器能耗和相干性甚至能恶化百倍。因此，损耗水平可以说是光子芯片“生命线”，并决定其能否从实验室走向实际应用。

过去十年来，以氮化硅（Si3N4）和薄膜铌酸锂为代表的低损耗集成光学平台在通信波段（约 1550nm）取得了巨大成功。然而，当研究人员试图将这一范式推向波长更短的可见光及近红外波段（400-1100nm）时，却遇到了难以逾越的物理瓶颈。

一方面，光在芯片波导中传播时，由于波导侧壁的粗糙度，光子会被散射产生损耗。当光子“变小”，所有粗糙都被放大。如同小轿车与大型越野车驶过同一片碎石路，小轿车（短波长光子）受到的颠簸和偏离（散射）会剧烈得多。

另一方面，波长越短，光子能量更高，这就像光子进入了材料中更密集的“捕获区”，被吸收转化为热量的概率大大增加。因此，开发能在可见光波段实现超低损耗的平台，需要材料体系纯度、微纳制备工艺与器件设计水平同时达到一个全新的高度。

（来源：受访者）

为了攻克短波难题，研究团队从光纤设计中获得灵感，创造性地在二氧化硅芯片波导中掺入二氧化锗。这不仅像“调味”一样改变了材料特性，提高了折射率以约束光场，还意外地发现掺杂后材料的熔点降低了。

这一发现带来了关键的工艺突破：他们可以利用代工厂标准的退火炉，在约 1,000℃ 下进行晶圆级的热回流处理。这个过程如同微观“熨烫”，凭借表面张力将波导侧壁打磨得原子级光滑，从而从根源上极大抑制了光散射损耗。

由此，团队实现了性能的跨越，例如在绿光波段，微环腔的品质因子达到 2 亿，相比氮化硅平台跃升了 2 个数量级。“在可见光波段，我们实现了根本性的突破，”陈豪敬指出，相比于通讯波段已经成熟的“红海”，一个全新的可见光与近红外芯片应用“蓝海”正在展开。

（来源：Nature）

兼容 CMOS 量产的工艺流程

除了追求极致的低损耗，能否与现有 CMOS 代工工艺兼容，是衡量一个光子集成平台能否走向产业应用的另一个关键标尺。这决定了该技术能否依托半导体工业成熟的大规模制造体系，实现低成本、高一致性的生产，从而真正释放其市场潜力。

而此论文所开发的光子芯片，其生产过程中使用的等离子增强化学气相薄膜沉积（PECVD）、紫外光刻、电感离子耦合（ICP）刻蚀等工艺完全兼容 CMOS 产线。据团队介绍，半导体代工厂只需微调现有工艺，即可大规模生产这类光芯片。

陈豪敬解释道：“因为光的波长比电子波长要大，我们制备的光芯片也比计算机电子芯片的特征尺寸大，对光刻的精度要求更低。并且，由于可以应用热回流‘熨烫’修复技术，对侧壁刻蚀的粗糙度也有很大的容错性。”

此外，即使在退火前，该光子芯片也能达到<1dB/m 的超低损耗，这代表与热敏感材料（包括三五族半导体激光器、薄膜铌酸锂、有机光电材料）具有良好的多材料异质集成兼容性。

（来源：Nature）

一块低损耗光子芯片，能走多远？

“客观地说，我们虽然迈出了用光纤材料实现低损耗光子芯片的第一步，甚至在可见到近红外波段达到了领先水平，但距离光纤的材料极限，还有百倍的优化空间。”陈豪敬表示。

研究团队计划通过开发更高质量的沉积、刻蚀与退火工艺，在芯片上实现 0.2dB/km 这一光纤级的超低损耗终极梦想。“我相信，这个平台将在三个追求极致性能的前沿领域率先展现价值。”陈豪敬说。

（来源：受访者）

在精密测量领域，极低的损耗能大幅提升光的相干性，能够让芯片级光学原子钟、陀螺仪的精度发生质变，如同在寂静的房间中捕捉一根针落地的声音。

在人工智能与光计算领域，低损耗是构建大规模光神经网络的前提，允许光信号在复杂芯片回路中完成成千上万次运算，从而释放更高算力。

在量子信息领域，低损耗能极大降低量子计算错误率，同时也是构建大规模量子网络与量子增强精密测量（如引力波探测）的基础。

“Sand from centuries past: Send future voices fast.（古沙递捷音，光纤所用的二氧化硅材料由沙石提炼而来。）”曾因光纤通信成就获得诺贝尔奖的高锟先生，用这句话诗意地概括了自己的开创性工作。

如今，时间行至 21 又 2/4 世纪，一场关于这种传奇材料的深刻变革正在芯片上悄然复兴。研究人员不再仅仅满足于用光纤连接世界，更致力于让光在方寸之间完成更复杂的使命。从光纤到芯片，人类的信息正沿着这条愈发澄澈的微型光路，奔向更远的未来。

参考资料：

1.相关论文开放获取： https://www.nature.com/articles/s41586-025-09889-w

运营/排版：何晨龙