一片微小的芯片上，竟能實現堪比光纖的超低損耗——這項突破正將光子計算、量子傳感等前沿技術推向全新高度。

近年來，光子集成電路在通信波段已取得顯著進展，然而在波長更短的可見光與近紅外波段，材料吸收與散射損耗卻急劇上升，嚴重制約了其在光鐘、量子計算、生物成像等關鍵領域的應用。

2026年1月7日，《自然》雜志刊發一項重要研究，來自加州理工學院等機構的研究團隊成功開發出一種基于鍺硅酸鹽的超低損耗光子集成平臺，次在紫光至通信波段實現片上光纖級光學損耗，為可見光集成光子學打開了全新可能。

01 技術瓶頸

在波長較短的可見光與近紅外波段，光子集成電路面臨兩大根本性損耗機制：表面瑞利散射與材料吸收。隨著波長縮短，光更易受表面粗糙度影響，同時光子能量進入非晶或晶體電介質的Urbach吸收尾，損耗顯著增加。

許多重要光子應用恰恰工作在這些波段，例如光學原子鐘、量子網絡、天文觀測、水下通信、激光雷達等。盡管二氧化硅與摻鍺二氧化硅在光纖中早已表現出極低的材料吸收，但將其轉化為平面集成光子電路卻一直面臨工藝挑戰。

02 平臺突破

研究團隊次將光纖材料成功引入平面集成光子電路，開發出基于摻鍺二氧化硅的超低損耗光波導平臺。該平臺采用深紫外步進式光刻與CMOS代工兼容工藝，在硅晶圓上制備出高質量鍺硅酸鹽波導。

通過退火工藝，波導側壁在表面張力作用下實現原子級光滑度，顯著抑制短波長散射損耗。測試表明，該平臺在458納米至1550納米波段均實現超高諧振品質因子，高達到4.63億，對應波導損耗僅0.08 dB/m，接近1970年康寧公司制備的個低損耗光纖水平。

03 性能優勢

該平臺在多個性能維度表現突出：在458納米處損耗較現有記錄降低13分貝；無需熱退火即可實現低于0.15 dB/m的波導損耗，為與溫度敏感材料異構集成奠定基礎。

平臺支持色散工程，成功在單一微環諧振器中實現反常色散孤子微梳生成；通過鍺摻雜降低聲速，實現光場與聲場的同時局域，演示了片上受激布里淵激光；支持大模場面積設計，顯著降低熱折射噪聲，為低噪聲激光器提供理想載體。

04 應用演示

研究團隊通過三個關鍵實驗驗證了平臺的多功能性：在單個超高Q微環中生成孤子微梳，驗證了色散調控能力；實現全集成受激布里淵激光，展示了聲光協同局域效應；將商用DFB激光器與鍺硅酸鹽微環耦合，實現赫茲量級線寬的自注入鎖定窄線寬激光。

尤為值得一提的是，該平臺在可見光波段成功將多模FP激光器鎖定至微環諧振器，在632納米、512納米和444納米波長分別實現15赫茲、12赫茲和90赫茲的極限線寬，較現有集成激光器提升超過20分貝。

05 制造工藝

該平臺采用CMOS代工兼容的制造流程：先在熱氧化硅晶圓上沉積4微米厚鍺硅酸鹽層，通過釕與二氧化硅硬掩模、深紫外光刻與電感耦合等離子體刻蝕形成脊形波導。

關鍵退火步驟在1000°C下進行12–18小時，利用鍺硅酸鹽的低粘度特性實現表面張力驅動的平滑化。平臺支持上包層沉積，可采用PECVD或ICP-PECVD工藝制備包層，實現光學與聲學場的限制。

06 未來展望

這一突破性平臺不僅顯著降低了光子集成電路的傳播損耗，更通過材料與幾何特性的巧妙結合，實現了色散調控、聲光局域與噪聲抑制的多重功能。

鍺硅酸鹽的光敏性為紫外寫入光柵提供了可能，有望在光子系統中實現光纖布拉格光柵的功能。盡管較低折射率對比度可能導致彎曲損耗增加，但可通過三維集成、增加鍺摻雜或在更短波長工作予以緩解。

隨著沉積與制備技術的進一步發展，鍺硅酸鹽光子集成電路有望達到0.2 dB/km的材料極限損耗，對應微諧振器Q因子將超過1000億。這種芯片上的“光纖級"光損耗，將推動固態陀螺儀、便攜式精密時鐘、量子計算電路等光纖技術的片上革命。

鍺硅酸鹽平臺已成功將半導體二極管激光器與超高Q微環諧振器集成，在可見光波段實現赫茲量級線寬激光輸出。這一突破不僅為集成可見光光子學設定了新的性能基準，更將推動光學原子鐘、量子傳感器、高精度導航系統等前沿技術的發展。

參考文獻： 中國光學期刊網

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