在集成光子學(xué)領(lǐng)域，一項(xiàng)突破性研究為光子芯片的發(fā)展開(kāi)辟了全新路徑。由加州理工學(xué)院、南安普敦大學(xué)與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，成功開(kāi)發(fā)出一種超低損耗摻鍺二氧化硅光子集成平臺(tái)，相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上。這項(xiàng)研究不僅攻克了光子芯片在可見(jiàn)光到近紅外波段長(zhǎng)期存在的損耗難題，更實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體CMOS工藝的深度兼容，為光子芯片從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于將廣泛應(yīng)用于光纖通信的摻鍺二氧化硅材料引入芯片制造。這種看似普通的玻璃材料，實(shí)則是現(xiàn)代光纖網(wǎng)絡(luò)的基石。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體CMOS工藝，研究人員首次實(shí)現(xiàn)了將光纖材料"遷移"至芯片平臺(tái)，創(chuàng)造了被稱(chēng)為"片上光纖"的新型光子集成方案。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該芯片在可見(jiàn)光波段（458nm）的損耗低至0.49dB/m，在1064nm波長(zhǎng)處更達(dá)到驚人的0.08dB/m，其性能已接近1970年康寧公司首次制成低損耗光纖時(shí)的歷史水平。

這項(xiàng)突破性成果的取得源于對(duì)材料特性與制備工藝的雙重創(chuàng)新。研究團(tuán)隊(duì)從光纖設(shè)計(jì)原理中汲取靈感，通過(guò)在二氧化硅中摻入二氧化鍺，既提高了材料折射率以增強(qiáng)光場(chǎng)約束能力，又意外降低了材料的熔點(diǎn)。這一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)使得團(tuán)隊(duì)能夠利用標(biāo)準(zhǔn)退火爐在1000℃下進(jìn)行晶圓級(jí)熱回流處理，通過(guò)表面張力將波導(dǎo)側(cè)壁打磨至原子級(jí)光滑，從根源上解決了短波長(zhǎng)光子易被散射損耗的行業(yè)難題。在綠光波段，微環(huán)腔的品質(zhì)因子達(dá)到2億量級(jí)，較傳統(tǒng)氮化硅平臺(tái)提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，標(biāo)志著可見(jiàn)光波段光子集成技術(shù)取得根本性突破。

該平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在極致的低損耗特性，更在于其與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造體系的完美兼容。研究團(tuán)隊(duì)采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）、紫外光刻、電感耦合等離子體（ICP）刻蝕等標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，使得半導(dǎo)體代工廠僅需微調(diào)現(xiàn)有產(chǎn)線即可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。由于光子芯片的特征尺寸大于電子芯片，對(duì)光刻精度的要求相對(duì)較低，加之熱回流"熨燙"技術(shù)對(duì)側(cè)壁粗糙度的容錯(cuò)性，顯著降低了制造門(mén)檻。更值得關(guān)注的是，該平臺(tái)在退火前即可實(shí)現(xiàn)<1dB/m的超低損耗，為與三五族半導(dǎo)體激光器、薄膜鈮酸鋰等熱敏感材料的異質(zhì)集成創(chuàng)造了可能。

基于該平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)已成功演示了光學(xué)頻率梳、布里淵激光和窄線寬激光器三大核心功能，證明其可作為支撐多種高性能光子器件的通用平臺(tái)。其中，可見(jiàn)光芯片激光器的線寬被壓縮至10Hz量級(jí)，較此前紀(jì)錄提升2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，這一突破對(duì)原子傳感器、光學(xué)原子鐘和量子計(jì)算系統(tǒng)具有重大意義。在精密測(cè)量領(lǐng)域，超低損耗特性可顯著提升光的相干性，使芯片級(jí)光學(xué)原子鐘和陀螺儀的精度產(chǎn)生質(zhì)的飛躍；在人工智能領(lǐng)域，該技術(shù)為構(gòu)建大規(guī)模光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了可能，允許光信號(hào)在復(fù)雜芯片回路中完成數(shù)萬(wàn)次運(yùn)算；在量子信息領(lǐng)域，低損耗特性可大幅降低量子計(jì)算錯(cuò)誤率，為構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

盡管已在可見(jiàn)光到近紅外波段取得領(lǐng)先地位，研究團(tuán)隊(duì)并未止步于此。他們正致力于開(kāi)發(fā)更高質(zhì)量的沉積、刻蝕和退火工藝，向0.2dB/km的光纖級(jí)超低損耗終極目標(biāo)邁進(jìn)。這場(chǎng)始于光纖通信材料的芯片革命，正在重新定義光子集成的可能性邊界。當(dāng)光信號(hào)不再受限于長(zhǎng)距離傳輸?shù)膿p耗桎梏，當(dāng)復(fù)雜的光子功能能夠集成于指甲蓋大小的芯片之上，人類(lèi)信息處理的方式正沿著這條愈發(fā)澄澈的微型光路，邁向更加光明的未來(lái)。