科技日报记者 张梦然
将光纤优异的低损耗性能延伸到光子芯片上，一直是光电子领域的重要挑战。现在，美国加州理工学院团队终于在可见光波段，成功制备出光纤水平的低损耗硅晶圆光导。这项进展将推动下一代高性能、高相干性的光子集成电路的发展，未来可广泛应用于片上光学时钟、陀螺仪等精密测量系统，以及人工智能数据中心通信和量子计算等领域。该成果发表于最新一期《自然》杂志。
团队开发出一种新方法，可将与光纤相同的锗硅酸盐玻璃以光刻工艺制备在硅晶圆上，在光子芯片低损耗光导研究方面取得关键突破。他们使用8英寸或12英寸晶圆，制备出螺旋状锗硅酸盐玻璃波导。这种结构能在有限面积内有效延长光路，同时材料便于与光纤和半导体激光器高效耦合，有助于降低数据中心等设施的能耗。
相比当前广泛使用的氮化硅材料，新平台在近红外波段已具备相当性能，在可见光波段优势更为明显。再通过低温退火工艺，波导表面可达到原子级平整，显著抑制散射损耗。在可见光波段，其性能较氮化硅现有纪录提升约20倍。
尽管芯片尺寸仅约2厘米，但光在环形谐振腔等器件中的有效路径长度可达米至千米量级，此时低损耗尤为关键。
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100多倍。这一方法也扩展了可用波长范围，有助于实现芯片级原子传感器、光学时钟和离子阱系统。
目前，团队已利用该材料制备出环形谐振器、多种激光器及非线性频率生成器等。
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可见光在传统硅材料中传播时损耗显著。为破解这一难题，研究团队通过精密的光刻工艺，在硅晶圆表面刻蚀出特殊的光学回路，这就如同为光线修建了一条通畅的“高速公路”，极大减少了光在传播过程中的散射损耗。该研究成果将为未来芯片技术带来重要影响。它意味着，科学家有望在硅芯片上，用低损耗的可见光来进行高速数据传输和运算，从而大幅提升计算速度、降低能耗。这将为下一代光子集成电路、量子信息处理等领域打开新的大门。
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