讓芯片上的光子通道達到光纖玻璃般的純凈透明，是科研團隊二十余年來持續探索的目標。如今，隨著制備工藝取得關鍵突破，這一目標正逐步成為現實。美國加州理工學院、南安普敦大學與加州大學圣塔芭芭拉分校的聯合團隊，在《自然》期刊發表了一項重要成果：他們開發出一種超低損耗摻鍺二氧化硅光子集成平臺，為光子芯片領域開辟了新方向。

摻鍺二氧化硅并非陌生材料，日常使用的光纖便由其構成。研究團隊通過標準半導體CMOS工藝，將這種光纖材料成功遷移至芯片層面，實現了“片上光纖”的突破。該芯片在可見光到近紅外波段展現出卓越性能，損耗值低于1分貝/米（dB/m），其中紫光波段（458nm）損耗低至0.49dB/m，1064nm波段損耗僅為0.08dB/m，接近1970年康寧公司首次制成低損耗光纖時的水平。

基于這一平臺，研究團隊演示了光學頻率梳、布里淵激光與窄線寬激光器三種核心功能，證明其不僅能實現單一功能，還可作為支撐多種高性能光子器件的通用工具。尤為突出的是，可見光芯片激光器的線寬被壓縮至10赫茲量級，較此前記錄優化2至3個數量級，這對原子傳感器、光學原子鐘及量子計算系統具有關鍵意義。

光子芯片的損耗水平被視為其“生命線”。傳統光纖憑借超低損耗實現了全球數據的高速傳輸，而將這種能力壓縮至芯片層面面臨巨大挑戰。光在微米級通道中傳播時，會因材料吸收、散射及表面污染導致能量損耗。損耗每增加一個數量級，光信號傳輸距離或運算復雜度將降低十倍，激光器能耗與相干性甚至可能惡化百倍。因此，降低損耗是光子芯片從實驗室走向實際應用的核心難題。

過去十年，氮化硅與薄膜鈮酸鋰平臺在通信波段（約1550nm）取得顯著進展，但向可見光及近紅外波段（400-1100nm）拓展時遭遇物理瓶頸。短波長光子對波導側壁粗糙度更敏感，散射損耗顯著增加；同時，光子能量提升導致材料吸收概率上升。開發可見光波段超低損耗平臺，需材料純度、制備工藝與器件設計同步達到新高度。

研究團隊從光纖設計中獲得靈感，在二氧化硅芯片波導中摻入二氧化鍺。這一創新不僅改變了材料折射率以約束光場，還意外降低了材料熔點。利用標準退火爐在約1000℃下進行晶圓級熱回流處理，通過表面張力將波導側壁打磨至原子級光滑，從根源上抑制了光散射損耗。例如，綠光波段微環腔的品質因子達到2億，較氮化硅平臺提升2個數量級。

該平臺的另一優勢在于與現有CMOS代工工藝完全兼容。其生產過程采用等離子增強化學氣相沉積、紫外光刻及電感離子耦合刻蝕等技術，半導體代工廠僅需微調工藝即可大規模生產。由于光波長大于電子波長，光芯片對光刻精度要求較低，且熱回流技術對側壁粗糙度容錯性高。芯片在退火前已能達到超低損耗，與熱敏感材料（如三五族半導體激光器）的異質集成兼容性良好。

盡管團隊已在可見到近紅外波段取得領先，但距離光纖材料極限仍有百倍優化空間。下一步計劃通過改進沉積、刻蝕與退火工藝，追求芯片上0.2dB/km的超低損耗目標。這一平臺有望在精密測量、人工智能與量子信息領域率先展現價值。例如，極低損耗可提升光學原子鐘與陀螺儀精度；在光計算中，允許光信號完成數千次運算以釋放更高算力；在量子領域，可降低計算錯誤率并支撐大規模量子網絡構建。

從光纖到芯片，人類對光子材料的探索正推動信息處理向更高效、更緊湊的方向發展。這場始于沙石的變革，如今在芯片層面煥發新生，為未來技術突破奠定了基礎。

相關論文開放獲取鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09889-w