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加州理工学院研究人员开发出一项技术，可让光在硅晶圆上传输时实现极低信号损耗，即便在可见光波段，性能也逼近光纤。在芯片上实现这一效率水准，是光子集成电路（PIC）的重要突破，可让器件在保持超高相干性的同时，最大限度降低能量损耗。
这些进展有望大幅拓展片上技术的应用能力，支撑光学时钟、旋转测量陀螺仪等高精密设备，同时优化人工智能数据中心通信，并推动量子计算系统的发展。
尽管人们很少留意，光纤却是现代通信的骨干。它能近乎实时地在全球传输海量信息，其优势源于材料构成与结构设计：光纤由纯度极高的玻璃制成，表面经过精密加工，异常光滑。光从一端入射后，几乎全部传输至另一端，吸收与散射损耗极低，科学家将这一特性称为超低损耗性能。
类光纤损耗的光子集成电路
在加州理工学院主导的这项最新研究中，研究人员将光纤的低损耗特性与大规模集成电路相结合，向新一代超低损耗光子集成电路迈进。
“多年来，我们一直致力于把基于卷轴的光纤制造工艺迁移到硅晶圆上，同时尽力保留光纤标志性的超低损耗特性。” 加州理工学院信息科学与技术及应用物理学讲席教授克里・瓦哈拉（Kerry Vahala）表示，“我们研发出一种方法，可将与光纤材质相同的材料制成的光学电路，直接印制到计算机芯片所用的 8 英寸和 12 英寸晶圆上。这种向类光纤性能的跨越，尤其是在可见光波段，将催生得益于近乎零电路能量损耗的全新技术。”
《自然》论文详解基于光纤的制造方法
研究人员在《自然》刊发的论文中详细阐述了该方案，论文第一作者为加州理工博士后Hao-Jing Chen与研究生凯兰・科尔伯恩（Kellan Colburn），相关研究在瓦哈拉实验室完成。
为构建光波导（芯片上引导光传输的纳米级通路），团队采用了锗硅酸盐玻璃—— 与光纤材质完全一致，并通过基于光刻的制造工艺对材料进行塑形。最终制成的波导呈螺旋排布，可延长光在芯片上的传输距离，原理与光在盘绕光纤中传输相似，但通过纳米加工技术压缩到极小的面积内。
“锗硅酸盐波导不仅损耗极低，还能轻松实现光纤与半导体激光器之间的高效光传输，这对降低服务器基础设施整体能耗至关重要。” 亨利・布劳特（Henry Blauvelt）说道，他是加州理工应用物理与材料科学客座研究员、光子电路企业 Emcore 首席技术官，同时也是该论文作者之一。
在近红外波段，基于该新平台的器件性能与主流氮化硅技术相当 —— 氮化硅因低损耗数据传输特性被广泛应用；而在可见光波段，锗硅酸盐平台的表现远优于氮化硅。
原子级表面平滑度提升相干性
“得益于该材料相对较低的熔点，我们可以将器件放入熔炉，对波导表面进行‘回流’处理，使光滑度达到单个原子级别，这在很大程度上抑制了严重的散射损耗，而这类损耗正是限制传统可见光光子集成电路的瓶颈。” Hao-Jing Chen表示，“在可见光波段，我们的新平台性能比氮化硅的纪录高出 20 倍，且仍有更大提升空间。”
降低损耗对器件性能影响显著，例如，采用该技术制备的激光器，其光相干保持时间是前代产品的 100 倍以上。
新型螺旋波导芯片
光纤盘与加州理工新型螺旋波导芯片对比图
“我们的方法拓展了波长覆盖范围，可支持诸多关键原子级操作，让芯片级原子传感器、光学时钟和离子阱系统成为可能。” Hao-Jing Chen说。
科尔伯恩指出，对于宽度仅约 2 厘米的芯片而言，追求以千米为单位计量的损耗看似过于严苛。“毕竟我们的芯片直径只有 2 厘米，但实际上，在很多应用场景中，这一特性都极具价值。” 他以环形谐振器为例 —— 这是科研与通信领域广泛使用的光学器件，光会耦合进入环形通路并反复循环，放大特定频率。
环形谐振器、量子传感器与未来应用
即便这些谐振器仅毫米级尺寸，光的有效传输总距离仍取决于传输途中的能量损耗。“这正是米级乃至最终千米级低损耗的关键意义所在。” 科尔伯恩说，“光循环时间越长，最终器件的性能就越高。” 对于借助这类谐振器提升相干性的激光器，损耗每降低 10 倍，相干性便提升 100 倍。
从更广泛的角度来看，实现可见光波段超低损耗波导，可赋能大量技术应用。“这项技术极具吸引力的原因之一，在于它如同瑞士军刀般全能 —— 能应用于众多场景。” 瓦哈拉表示。为证明这一点，加州理工团队在论文中展示了多款用新材料制备的光学器件，包括环形谐振器、各类激光器，以及可产生多种频率的非线性谐振器。
瓦哈拉认为，这一进展是重要的阶段性突破，但未来仍有更多提升空间。“我们尚未达到预期目标，但过去五年已取得重大进展，这也是我们本次成果的核心内容。” 他说。
https://scitechdaily.com/caltech-breakthrough-brings-fiber-optic-performance-to-silicon-chips/
（来源：scitechdaily）
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