加州理工学院突破性成果将光纤性能带入硅芯片

光纤连接了我们的数字世界，让信息在全球各地瞬间流动。但这种超低损耗的魔法一直被限制在细长的玻璃管子里，无法轻易融入芯片设计。加州理工学院的研究团队最近打破了这个瓶颈。他们成功地将光纤般的超低信号损耗性能带到了硅芯片上，即使在可见光波段也不例外。这项发表在《自然》杂志的突破性成果标志着光子集成电路技术迎来了新的篇章。

这个看似简单的转变背后隐藏着巨大的工程难题。光纤之所以能传输信息时损耗极低，秘密在于它采用超纯玻璃制造，表面光滑到原子级别。研究团队的关键创新是采用锗硅酸盐玻璃这种与光纤相同的材料，然后通过光刻技术将其精密成形成纳米波导。这些波导排列成螺旋图案，在仅有两厘米宽的芯片表面实现了相当于公里级距离的光传输效能。

加州理工学院信息科学与技术教授凯瑞·瓦哈拉描述了这一突破的意义："我们多年来一直在尝试将光纤的卷轴式制造工艺移植到硅晶圆上。现在我们成功地将使用与光纤相同材料制成的光路直接印刷在八英寸和十二英寸的晶圆上。"这意味着这项技术可以与现有的芯片制造流程兼容，从工业化生产的角度改变了游戏规则。

性能的飞跃：可见光波段的二十倍提升

加州理工学院牵头的一项新研究，将光纤的低损耗性能与大规模集成电路相结合，正朝着新一代超低损耗光子集成电路迈进。图片来源：陈浩京

最令人印象深刻的成就出现在可见光波段。在近红外波段，这种新型平台的性能已经与业界领先的氮化硅技术相当，而氮化硅正是数据中心广泛使用的低损耗材料。然而在可见光范围内，新平台的表现竟然超越了氮化硅的记录二十倍。

这种性能跳跃的秘密在于材料的熔点相对较低。研究人员可以将芯片放入炉中进行"回流"处理，将波导表面平滑度优化到单个原子级别，从而大幅抑制可见光传输中最严重的散射损耗问题。这看似微妙的改进，实际上打开了一扇通往多种新应用的大门。

光纤卷轴与加州理工学院新型螺旋波导芯片对比。图片来源：陈浩京

损耗的降低对光学器件性能产生了戏剧性的影响。基于这种新平台制造的激光器相干光持续时间比早期版本提高了一百倍以上。对于需要极高精密度的应用来说，这种相干性的增强至关重要。每当损耗降低十倍，激光的相干性就会改善一百倍。这种非线性的性能改进意味着即使是看似微小的损耗优化，也能带来指数级的器件性能提升。

瑞士军刀级别的多功能性

这项技术最令科学家兴奋的地方在于其广泛的应用前景。瓦哈拉用"瑞士军刀"来形容这种方案，因为它可以适用于各种不同的场景。在精密测量领域，芯片级光学原子传感器、用于计时的光钟和离子阱系统等前沿技术都将受益。对于人工智能数据中心而言，更高效的芯片间通信将直接降低整个系统的能耗。

在量子计算领域，这种超低损耗的光子集成电路也将成为关键推手。量子光子学计算平台正在积极探索利用光子来执行量子运算。这种新的低损耗平台为这类系统提供了更稳定、更精准的硬件基础。业界领先企业已经开始在量子计算中融入光子技术，而这项加州理工的突破为他们提供了更强大的工具。

从更广泛的角度看，这项成果代表着光子芯片技术向"光纤时代"的逼近。光纤之所以在过去三十多年中成为通信骨干，正是因为其超低损耗特性使长距离信息传输成为可能。如今，将这种能力压缩到尺寸小数个数量级的芯片上，意味着曾经只能在实验室环境中实现的高端应用，最终可以走向实用化和商业化。

研究团队还在多个应用场景中验证了新材料的性能。他们制造了各类光学器件，包括环形谐振器、多种类型的激光器以及能够产生多个频率的非线性谐振器。这些初步的演示已经足以证明这套体系的多功能性。

瓦哈拉表示，他们的工作远未完成。在过去五年里，团队在材料处理和器件设计方面取得了显著进步，但根据他们的计算，仍有很大的优化空间。这意味着下一代光子芯片的性能还会继续飞跃。

随着全球对高效能芯片的需求日益增长，这种能够在可见光至近红外波段实现光纤级性能的平台，很可能成为下一代微电子和光子技术的基础设施。从精密测量到量子计算，从数据中心到深空通信，这项突破的影响范围可能远超目前人们的想象。