【资讯】芯片上的“光纤革命”：新型光子集成平台打破损耗壁垒

2026-03-25 16:59:50

一片微小的芯片上，竟能实现堪比光纤的超低损耗——这项突破正将光子计算、量子传感等前沿技术推向全新高度。

近年来，光子集成电路在通信波段已取得显著进展，然而在波长更短的可见光与近红外波段，材料吸收与散射损耗却急剧上升，严重制约了其在光钟、量子计算、生物成像等关键领域的应用。

2026年1月7日，《自然》杂志刊发一项重要研究，来自加州理工学院等机构的研究团队成功开发出一种基于锗硅酸盐的超低损耗光子集成平台，首次在紫光至通信波段实现片上光纤级光学损耗，为可见光集成光子学打开了全新可能。

01 技术瓶颈

在波长较短的可见光与近红外波段，光子集成电路面临两大根本性损耗机制：表面瑞利散射与材料吸收。随着波长缩短，光更易受表面粗糙度影响，同时光子能量进入非晶或晶体电介质的Urbach吸收尾，损耗显著增加。

许多重要光子应用恰恰工作在这些波段，例如光学原子钟、量子网络、天文观测、水下通信、激光雷达等。尽管二氧化硅与掺锗二氧化硅在光纤中早已表现出极低的材料吸收，但将其转化为平面集成光子电路却一直面临工艺挑战。

02 平台突破

研究团队首次将光纤材料成功引入平面集成光子电路，开发出基于掺锗二氧化硅的超低损耗光波导平台。该平台采用深紫外步进式光刻与CMOS代工兼容工艺，在硅晶圆上制备出高质量锗硅酸盐波导。

通过退火工艺，波导侧壁在表面张力作用下实现原子级光滑度，显著抑制短波长散射损耗。测试表明，该平台在458纳米至1550纳米波段均实现超高谐振品质因子，最高达到4.63亿，对应波导损耗仅0.08 dB/m，接近1970年康宁公司制备的首个低损耗光纤水平。

03 性能优势

该平台在多个性能维度表现突出：在458纳米处损耗较现有记录降低13分贝；无需热退火即可实现低于0.15 dB/m的波导损耗，为与温度敏感材料异构集成奠定基础。

平台支持色散工程，成功在单一微环谐振器中实现反常色散孤子微梳生成；通过锗掺杂降低声速，实现光场与声场的同时局域，演示了片上受激布里渊激光；支持大模场面积设计，显著降低热折射噪声，为低噪声激光器提供理想载体。

04 应用演示

研究团队通过三个关键实验验证了平台的多功能性：在单个超高Q微环中生成孤子微梳，验证了色散调控能力；实现全集成受激布里渊激光，展示了声光协同局域效应；将商用DFB激光器与锗硅酸盐微环耦合，实现赫兹量级线宽的自注入锁定窄线宽激光。

尤为值得一提的是，该平台在可见光波段成功将多模FP激光器锁定至微环谐振器，在632纳米、512纳米和444纳米波长分别实现15赫兹、12赫兹和90赫兹的极限线宽，较现有集成激光器提升超过20分贝。

05 制造工艺

该平台采用完全CMOS代工兼容的制造流程：首先在热氧化硅晶圆上沉积4微米厚锗硅酸盐层，通过钌与二氧化硅硬掩模、深紫外光刻与电感耦合等离子体刻蚀形成脊形波导。

关键退火步骤在1000°C下进行12–18小时，利用锗硅酸盐的低粘度特性实现表面张力驱动的平滑化。平台支持上包层沉积，可采用PECVD或ICP-PECVD工艺制备包层，实现光学与声学场的完全限制。

06 未来展望

这一突破性平台不仅显著降低了光子集成电路的传播损耗，更通过材料与几何特性的巧妙结合，实现了色散调控、声光局域与噪声抑制的多重功能。

锗硅酸盐的光敏性为紫外写入光栅提供了可能，有望在光子系统中实现光纤布拉格光栅的功能。尽管较低折射率对比度可能导致弯曲损耗增加，但可通过三维集成、增加锗掺杂或在更短波长工作予以缓解。

随着沉积与制备技术的进一步发展，锗硅酸盐光子集成电路有望达到0.2 dB/km的材料极限损耗，对应微谐振器Q因子将超过1000亿。这种芯片上的“光纤级”光损耗，将推动固态陀螺仪、便携式精密时钟、量子计算电路等光纤技术的片上革命。

锗硅酸盐平台已成功将半导体二极管激光器与超高Q微环谐振器集成，在可见光波段实现赫兹量级线宽激光输出。这一突破不仅为集成可见光光子学设定了新的性能基准，更将推动光学原子钟、量子传感器、高精度导航系统等前沿技术的发展。

参考文献： 中国光学期刊网

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