加州理工学院突破性地将光纤性能引入硅芯片

加州理工学院（Caltech）的研究人员近日宣布了一项重大技术突破，他们成功开发出一种新技术，能够在硅晶圆上实现光信号传输的极低损耗，其性能在可见光波段甚至逼近了传统光纤的水平。

这一成果标志着光子集成电路（PICs）领域迈出了关键一步，为开发具有卓越相干性和极低能量损耗的新一代光电设备铺平了道路。该研究详细介绍了一种利用光纤材料直接在芯片上构建光路的方法，相关论文已发表在《自然》杂志上 。

长期以来，光纤以其极高纯度的玻璃材质和原子级光滑的表面，成为全球通信网络的基石，能够以极低的损耗传输海量数据。加州理工学院应用物理与信息科学技术教授克里·瓦哈拉（Kerry Vahala）领导的团队，致力于将这种光纤的制造工艺“移植”到计算机芯片生产所用的硅晶圆上。研究团队使用与光纤相同的锗硅酸盐（germano-silicate）玻璃材料，通过光刻技术在芯片上构建出被称为“波导”的光传输通道。为了解决微观尺度下的表面粗糙问题，研究人员创新性地引入了一道工序：将芯片放入高温炉中进行“回流”处理，使波导表面熔融平滑至原子级别。这种处理极大地抑制了光散射损耗，解决了长期限制可见光波段光子集成电路发展的关键瓶颈 。

测试结果显示，这种新型芯片在近红外波段的性能与目前领先的氮化硅技术相当，而在可见光波段，其性能则实现了质的飞跃，损耗降低至氮化硅记录的二十分之一。这种超低损耗特性对设备性能产生了深远影响，例如，利用该技术制造的激光器，其光相干时间比现有版本延长了100倍以上。研究论文的第一作者、加州理工学院博士后学者陈昊京（Hao-Jing Chen，音译）指出，这一平台波长覆盖范围的扩展将支持许多重要的原子操作，使得芯片级原子传感器、光钟和离子阱系统的实现成为可能 。

尽管这些芯片的尺寸仅约2厘米，但其内部的光路设计采用了螺旋结构，极大地延长了光在微小空间内的传播距离。研究生凯兰·科尔伯恩（Kellan Colburn）解释说，对于环形谐振器等关键光学组件而言，光在其中循环的距离越长，损耗越低，设备的性能就越强。每降低10倍的损耗，就能带来100倍的相干性提升。这项技术不仅具有“瑞士军刀”般的通用性，可广泛应用于从高精度计时、旋转测量（陀螺仪）到量子计算和传感等多个领域，还对降低数据中心服务器基础设施的整体能耗具有重要意义。虽然研究团队表示目前成果尚未达到终极目标，但过去五年的显著进展已为未来的光子技术应用描绘出了清晰的蓝图 。