在集成光子學領域，實現超低損耗一直是科研人員夢寐以求的目標。如今，由加州理工學院、南安普敦大學與加州大學圣塔芭芭拉分校組成的聯合研究團隊，成功開發出一種超低損耗摻鍺二氧化硅光子集成平臺，為這一領域帶來了重大突破。

摻鍺二氧化硅并非陌生材料，日常生活中廣泛使用的光纖便由它構成。研究團隊通過標準半導體CMOS工藝，將這種光纖材料遷移至芯片上，打造出“片上光纖”。這款芯片性能卓越，是目前唯一能在可見光到近紅外波段實現小于1分貝/米（dB/m）超低損耗的光子芯片。在紫光波段（458nm），其損耗低至0.49dB/m；在1064nm處，損耗更是低至0.08dB/m，性能接近1970年康寧公司首次制成低損耗光纖時的水平。

研究團隊基于這一“片上光纖”平臺，結合色散調控、聲光束縛與低噪聲設計，成功演示了光學頻率梳、布里淵激光與窄線寬激光器三種核心功能。這表明該平臺并非局限于單一功能，而是成為一個能同時支撐多種高性能光子器件的通用“工具箱”。尤為值得一提的是，團隊將可見光芯片激光器的線寬壓窄到10Hz量級，相比之前的記錄優化了2到3個數量級，這對于工作在此波段的原子傳感器、光學原子鐘、中性原子/離子阱量子計算系統意義重大。

低損耗對于光子芯片而言至關重要，堪稱其“生命線”。互聯網能夠實現全球數據光速通達，依靠的是光纖的超低損耗。如今，人們希望將這種強大的光信號處理能力集成到小小的光子芯片上，在極小面積內集成很長的光路、實現復雜功能。然而，光在微米甚至納米級通道中前進時，會因材料吸收、散射及表面污染等原因不斷損耗能量。損耗值每升高1個數量級，光信號能有效傳輸的距離或能完成的復雜運算步驟就會降低十倍，基于光學微腔的激光器能耗和相干性甚至會惡化百倍。因此，損耗水平決定了光子芯片能否從實驗室走向實際應用。

過去十年，以氮化硅（Si3N4）和薄膜鈮酸鋰為代表的低損耗集成光學平臺在通信波段（約1550nm）取得巨大成功。但當研究人員試圖將其推廣到波長更短的可見光及近紅外波段（400 - 1100nm）時，卻遭遇了難以逾越的物理瓶頸。一方面，光在芯片波導中傳播時，波導側壁的粗糙度會使光子散射產生損耗，且波長越短，散射越劇烈；另一方面，波長越短，光子能量越高，被材料吸收轉化為熱量的概率也大大增加。開發能在可見光波段實現超低損耗的平臺，需要材料體系純度、微納制備工藝與器件設計水平同時達到全新高度。

為攻克短波難題，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。這一舉措不僅改變了材料特性，提高了折射率以約束光場，還意外發現摻雜后材料的熔點降低。基于此，團隊利用代工廠標準的退火爐，在約1000℃下進行晶圓級的熱回流處理，如同微觀“熨燙”，憑借表面張力將波導側壁打磨得原子級光滑，從根源上極大抑制了光散射損耗。例如在綠光波段，微環腔的品質因子達到2億，相比氮化硅平臺躍升了2個數量級。

除了追求極致低損耗，能否與現有CMOS代工工藝兼容，也是衡量光子集成平臺能否走向產業應用的關鍵。此論文所開發的光子芯片，生產過程中使用的等離子增強化學氣相薄膜沉積（PECVD）、紫外光刻、電感離子耦合（ICP）刻蝕等工藝完全兼容CMOS產線。半導體代工廠只需微調現有工藝，即可大規模生產這類光芯片。而且，由于光的波長比電子波長大，制備的光芯片特征尺寸也比計算機電子芯片大，對光刻精度要求更低，且可應用熱回流“熨燙”修復技術，對側壁刻蝕粗糙度容錯性大。即使在退火前，該光子芯片也能達到<1dB/m的超低損耗，與熱敏感材料具有良好的多材料異質集成兼容性。

相關論文以《從紫光到近紅外波段，通往光纖級損耗的光子集成》為題發表。盡管研究團隊邁出了用光纖材料實現低損耗光子芯片的重要一步，在可見到近紅外波段達到領先水平，但距離光纖的材料極限仍有百倍優化空間。研究團隊計劃通過開發更高質量的沉積、刻蝕與退火工藝，實現芯片上0.2dB/km這一光纖級的超低損耗終極夢想。這一平臺有望在精密測量、人工智能與光計算、量子信息等追求極致性能的前沿領域率先展現價值。