可见光波段创纪录低损耗， 光子芯片迎来“光纤级”性能

加州理工学院的研究人员开发出一种新技术，使光能够在硅晶圆上以极低的信号损耗传播，即使在可见光波长下也接近光纤的性能。在芯片上实现这种级别的效率，标志着光子集成电路向前迈出了重要一步，使器件能够在保持卓越相干性的同时，将能量损耗降至最低。

这些进展可以显著扩展片上技术的能力，支持高精度工具，如用于计时的光学时钟和用于测量旋转的陀螺仪，同时还能改善人工智能数据中心的通信，并推动量子计算系统的发展。

加州理工学院的Ted and Ginger Jenkins信息科学与技术及应用物理学教授Kerry Vahala表示：“多年来，我们一直致力于将基于光纤盘卷的制造工艺转化到硅晶圆上，同时努力保留光纤超低损耗的标志性特性。我们开发出了一种方法，可以将与光纤相同材料制成的光路，直接印刷到用于计算机芯片的8英寸和12英寸晶圆上。这种向类光纤性能的转变，尤其是在可见光波段，将催生受益于极低电路能量损耗的新技术。”

基于光纤的制造方法

研究人员在《自然》杂志上发表的一篇论文中详细阐述了他们的方法。论文的主要作者是加州理工学院的博士后研究员Hao-Jing Chen和研究生Kellan Colburn，他们在Vahala的实验室完成了这项工作。

为了构建被称为波导（芯片上引导光线的纳米级通道）的导光结构，研究团队使用了掺锗硅酸盐——与光纤中使用的玻璃相同。他们采用基于光刻的制造工艺对这种材料进行成型。由此产生的波导呈螺旋状排列，延长了光在芯片上的传播距离，类似于光在盘绕光纤中的移动方式，但通过纳米制造技术将其压缩到了更小的面积内。

加州理工学院应用物理与材料科学客座副教授、光子电路专业公司Emcore的首席技术官、也是该论文的作者之一Henry Blauvelt表示：掺锗硅酸盐波导表现出极低的损耗，并且还能很容易地适配，以高效地在光纤和半导体激光器之间传输光，这对于降低服务器基础设施的整体能耗至关重要。

在近红外波长下，基于这种新平台构建的器件，其性能与领先的氮化硅技术相当。氮化硅因其低损耗的数据传输特性而被广泛使用。然而，在可见光波长下，掺锗硅酸盐平台的表现明显优于氮化硅。

原子级表面平滑技术提升相干性

Hao-Jing Chen说：由于这种材料的熔点相对较低，我们可以将器件放入炉中进行回流处理，使波导表面光滑到单个原子级别，这极大抑制了此前限制传统可见光光子集成电路的严重散射损耗。在可见光波长下，最新的平台比氮化硅的创纪录水平好了20倍，而且还有更多改进空间。

减少损耗对器件性能有着重大影响。例如，采用这种方法制造的激光器，其保持相干光的时间比早期版本长了100多倍。他谈到：“我们的方法所扩展的波长覆盖范围，将支持许多重要的原子操作，使芯片级原子传感器、光学时钟和离子阱系统成为可能。”

Colburn指出，对于宽度仅有约2厘米的芯片来说，追求千米级距离的损耗测量似乎有些过头。毕竟，我们的芯片只有2厘米宽。但实际上，有很多应用场景会让这种技术变得非常强大。他提到了环形谐振腔，这是一种在研究和电信领域广泛使用的光学元件。在环形谐振腔中，光被耦合到一个圆形路径中，在其中可以循环传播，从而放大特定频率。

环形谐振腔、量子传感器与未来应用

“尽管这些环形腔的尺寸只有几毫米，但光有效传播的总距离取决于沿途损失的能量多少。"这就是米级、甚至最终千米级的低损耗真正重要的地方，”Colburn说，“光循环得越久，最终器件的性能就能越高。”对于使用这些谐振腔来提高相干性的激光器来说，损耗每降低10倍，相干性就会提高100倍。

更广泛地说，在可见光谱中实现超低损耗波导，能够支持广泛的技术应用。“这项技术之所以如此引人注目，原因之一在于它具有‘瑞士军刀’般的品质——它可以应用于各种各样的场景。”Vahala说。为了说明这一点，加州理工学院团队在论文中描述了用这种新材料构建的几种光学器件，包括环形谐振腔、不同类型的激光器，以及可产生一系列频率的非线性谐振腔。

Vahala表示，这一进展是向前迈出的重要一步，但未来还会有更多进步。我们还没有达到我们想要达到的目标，但我们在过去五年里取得了重大进展，这就是我们在此报告的内容。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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