在集成光子学领域，实现超低损耗一直是科研人员梦寐以求的目标。如今，由加州理工学院、南安普敦大学与加州大学圣塔芭芭拉分校组成的联合研究团队，成功开发出一种超低损耗掺锗二氧化硅光子集成平台，为这一领域带来了重大突破。
掺锗二氧化硅并非陌生材料，日常生活中广泛使用的光纤便由它构成。研究团队通过标准半导体CMOS工艺，将这种光纤材料迁移至芯片上，打造出“片上光纤”。这款芯片性能卓越，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），其损耗低至0.49dB/m；在1064nm处，损耗更是低至0.08dB/m，性能接近1970年康宁公司首次制成低损耗光纤时的水平。
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三种核心功能。这表明该平台并非局限于单一功能，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”。尤为值得一提的是，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，这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意义重大。
低损耗对于光子芯片而言至关重要，堪称其“生命线”。互联网能够实现全球数据光速通达，依靠的是光纤的超低损耗。如今，人们希望将这种强大的光信号处理能力集成到小小的光子芯片上，在极小面积内集成很长的光路、实现复杂功能。然而，光在微米甚至纳米级通道中前进时，会因材料吸收、散射及表面污染等原因不断损耗能量。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会恶化百倍。因此，损耗水平决定了光子芯片能否从实验室走向实际应用。
过去十年，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）取得巨大成功。但当研究人员试图将其推广到波长更短的可见光及近红外波段（400 - 1100nm）时，却遭遇了难以逾越的物理瓶颈。一方面，光在芯片波导中传播时，波导侧壁的粗糙度会使光子散射产生损耗，且波长越短，散射越剧烈；另一方面，波长越短，光子能量越高，被材料吸收转化为热量的概率也大大增加。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全新高度。
为攻克短波难题，研究团队从光纤设计中获得灵感，在二氧化硅芯片波导中掺入二氧化锗。这一举措不仅改变了材料特性，提高了折射率以约束光场，还意外发现掺杂后材料的熔点降低。基于此，团队利用代工厂标准的退火炉，在约1000℃下进行晶圆级的热回流处理，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，从根源上极大抑制了光散射损耗。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。
除了追求极致低损耗，能否与现有CMOS代工工艺兼容，也是衡量光子集成平台能否走向产业应用的关键。此论文所开发的光子芯片，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。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。而且，由于光的波长比电子波长大，制备的光芯片特征尺寸也比计算机电子芯片大，对光刻精度要求更低，且可应用热回流“熨烫”修复技术，对侧壁刻蚀粗糙度容错性大。即使在退火前，该光子芯片也能达到<1dB/m的超低损耗，与热敏感材料具有良好的多材料异质集成兼容性。
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》为题发表。尽管研究团队迈出了用光纤材料实现低损耗光子芯片的重要一步，在可见到近红外波段达到领先水平，但距离光纤的材料极限仍有百倍优化空间。研究团队计划通过开发更高质量的沉积、刻蚀与退火工艺，实现芯片上0.2dB/km这一光纤级的超低损耗终极梦想。这一平台有望在精密测量、人工智能与光计算、量子信息等追求极致性能的前沿领域率先展现价值。
