光子芯片的性能瓶颈一直是业界的痛点。如何将光纤的低损耗特性集成到芯片上，是光电子领域长期未解的难题。加州理工学院研究团队近日《自然》杂志发表最新成果，宣布在可见光波段成功制备出光纤水平的低损耗硅晶圆光导，为该问题提供了创新解决方案。 问题的根源在于材料和工艺的双重制约。传统光子芯片采用氮化硅等材料制备波导，在近红外波段表现不错，但在可见光波段的损耗问题始终无法有效解决。光信号在传输中的散射损耗直接影响芯片效率和精度，这对需要长光路的精密测量和量子应用尤为重要。 研究团队的创新在于材料选择与结构设计的结合。他们采用与光纤相同的锗硅酸盐玻璃材料，通过光刻工艺精确制备在标准硅晶圆上，突破了材料兼容性的瓶颈。在8英寸或12英寸晶圆基础上，团队设计出螺旋状波导结构。这一巧妙的几何设计在有限的芯片面积内有效延长了光的传输路径，使得仅约2厘米的芯片能够实现米至千米量级的有效光路长度。 低温退火工艺深入优化了性能。通过精细控制退火温度和时间，研究人员使波导表面达到原子级平整度，显著抑制了光散射损耗。实验数据表明，新平台在可见光波段的性能较氮化硅现有纪录提升约二十倍。 低损耗特性直接提升了器件性能。基于该平台制备的激光器件，其相干时间较上一代技术提高一百多倍，这意味着光信号能够保持更长时间的相干性，为高精度测量和量子应用奠定基础。同时，新材料平台扩展了可用波长范围，为芯片级原子传感器、光学时钟和离子阱系统等前沿应用开辟了新的可能。 该技术应用前景广阔。在精密测量领域，低损耗光导可用于片上光学时钟和陀螺仪等高精度仪器，有望推动导航定位技术升级。在数据中心通信上，低损耗特性能显著降低光信号传输能耗，对构建绿色高效的信息基础设施意义重大。在量子计算领域，高相干性的光子芯片为量子信息处理提供关键支撑。该平台已成功制备出环形谐振器、多种激光器及非线性频率生成器等多类器件，充分展示了其通用性和可扩展性。 从材料兼容性看，锗硅酸盐玻璃与光纤和半导体激光器的高效耦合特性，使该平台具有良好的系统集成潜力。这不仅降低了与现有光学系统的适配成本，也为大规模产业化应用奠定了基础。
这项研究标志着光子集成技术从"功能实现"迈向"性能优化"的新阶段。在全球竞逐光电融合的背景下，低损耗光导技术的突破不仅填补了可见光波段的技术空白，更揭示了材料创新与工艺革新协同驱动产业升级的路径。未来，随着跨学科合作的深入，光子芯片或将成为继微电子之后，重塑信息技术格局的又一核心引擎。