加州理工學院突破性地將光纖性能引入硅芯片

加州理工學院（Caltech）的研究人員近日宣布了一項重大技術(shù)突破，他們成功開發(fā)出一種新技術(shù)，能夠在硅晶圓上實現(xiàn)光信號傳輸?shù)臉O低損耗，其性能在可見光波段甚至逼近了傳統(tǒng)光纖的水平。

這一成果標志著光子集成電路（PICs）領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵一步，為開發(fā)具有卓越相干性和極低能量損耗的新一代光電設備鋪平了道路。該研究詳細介紹了一種利用光纖材料直接在芯片上構(gòu)建光路的方法，相關(guān)論文已發(fā)表在《自然》雜志上 。

長期以來，光纖以其極高純度的玻璃材質(zhì)和原子級光滑的表面，成為全球通信網(wǎng)絡的基石，能夠以極低的損耗傳輸海量數(shù)據(jù)。加州理工學院應用物理與信息科學技術(shù)教授克里·瓦哈拉（Kerry Vahala）領(lǐng)導的團隊，致力于將這種光纖的制造工藝“移植”到計算機芯片生產(chǎn)所用的硅晶圓上。研究團隊使用與光纖相同的鍺硅酸鹽（germano-silicate）玻璃材料，通過光刻技術(shù)在芯片上構(gòu)建出被稱為“波導”的光傳輸通道。為了解決微觀尺度下的表面粗糙問題，研究人員創(chuàng)新性地引入了一道工序：將芯片放入高溫爐中進行“回流”處理，使波導表面熔融平滑至原子級別。這種處理極大地抑制了光散射損耗，解決了長期限制可見光波段光子集成電路發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸 。

測試結(jié)果顯示，這種新型芯片在近紅外波段的性能與目前領(lǐng)先的氮化硅技術(shù)相當，而在可見光波段，其性能則實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，損耗降低至氮化硅記錄的二十分之一。這種超低損耗特性對設備性能產(chǎn)生了深遠影響，例如，利用該技術(shù)制造的激光器，其光相干時間比現(xiàn)有版本延長了100倍以上。研究論文的第一作者、加州理工學院博士后學者陳昊京（Hao-Jing Chen，音譯）指出，這一平臺波長覆蓋范圍的擴展將支持許多重要的原子操作，使得芯片級原子傳感器、光鐘和離子阱系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能 。

盡管這些芯片的尺寸僅約2厘米，但其內(nèi)部的光路設計采用了螺旋結(jié)構(gòu)，極大地延長了光在微小空間內(nèi)的傳播距離。研究生凱蘭·科爾伯恩（Kellan Colburn）解釋說，對于環(huán)形諧振器等關(guān)鍵光學組件而言，光在其中循環(huán)的距離越長，損耗越低，設備的性能就越強。每降低10倍的損耗，就能帶來100倍的相干性提升。這項技術(shù)不僅具有“瑞士軍刀”般的通用性，可廣泛應用于從高精度計時、旋轉(zhuǎn)測量（陀螺儀）到量子計算和傳感等多個領(lǐng)域，還對降低數(shù)據(jù)中心服務器基礎設施的整體能耗具有重要意義。雖然研究團隊表示目前成果尚未達到終極目標，但過去五年的顯著進展已為未來的光子技術(shù)應用描繪出了清晰的藍圖 。