這項技術(shù)，讓芯片擁有光纖性能

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加州理工學(xué)院研究人員開發(fā)出一項技術(shù)，可讓光在硅晶圓上傳輸時實現(xiàn)極低信號損耗，即便在可見光波段，性能也逼近光纖。在芯片上實現(xiàn)這一效率水準(zhǔn)，是光子集成電路（PIC）的重要突破，可讓器件在保持超高相干性的同時，最大限度降低能量損耗。

這些進(jìn)展有望大幅拓展片上技術(shù)的應(yīng)用能力，支撐光學(xué)時鐘、旋轉(zhuǎn)測量陀螺儀等高精密設(shè)備，同時優(yōu)化人工智能數(shù)據(jù)中心通信，并推動量子計算系統(tǒng)的發(fā)展。

盡管人們很少留意，光纖卻是現(xiàn)代通信的骨干。它能近乎實時地在全球傳輸海量信息，其優(yōu)勢源于材料構(gòu)成與結(jié)構(gòu)設(shè)計：光纖由純度極高的玻璃制成，表面經(jīng)過精密加工，異常光滑。光從一端入射后，幾乎全部傳輸至另一端，吸收與散射損耗極低，科學(xué)家將這一特性稱為超低損耗性能。

類光纖損耗的光子集成電路

在加州理工學(xué)院主導(dǎo)的這項最新研究中，研究人員將光纖的低損耗特性與大規(guī)模集成電路相結(jié)合，向新一代超低損耗光子集成電路邁進(jìn)。

“多年來，我們一直致力于把基于卷軸的光纖制造工藝遷移到硅晶圓上，同時盡力保留光纖標(biāo)志性的超低損耗特性。” 加州理工學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)及應(yīng)用物理學(xué)講席教授克里?瓦哈拉（Kerry Vahala）表示，“我們研發(fā)出一種方法，可將與光纖材質(zhì)相同的材料制成的光學(xué)電路，直接印制到計算機芯片所用的 8 英寸和 12 英寸晶圓上。這種向類光纖性能的跨越，尤其是在可見光波段，將催生得益于近乎零電路能量損耗的全新技術(shù)。”

《自然》論文詳解基于光纖的制造方法

研究人員在《自然》刊發(fā)的論文中詳細(xì)闡述了該方案，論文第一作者為加州理工博士后Hao-Jing Chen與研究生凱蘭?科爾伯恩（Kellan Colburn），相關(guān)研究在瓦哈拉實驗室完成。

為構(gòu)建光波導(dǎo)（芯片上引導(dǎo)光傳輸?shù)募{米級通路），團(tuán)隊采用了鍺硅酸鹽玻璃—— 與光纖材質(zhì)完全一致，并通過基于光刻的制造工藝對材料進(jìn)行塑形。最終制成的波導(dǎo)呈螺旋排布，可延長光在芯片上的傳輸距離，原理與光在盤繞光纖中傳輸相似，但通過納米加工技術(shù)壓縮到極小的面積內(nèi)。

“鍺硅酸鹽波導(dǎo)不僅損耗極低，還能輕松實現(xiàn)光纖與半導(dǎo)體激光器之間的高效光傳輸，這對降低服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施整體能耗至關(guān)重要。” 亨利?布勞特（Henry Blauvelt）說道，他是加州理工應(yīng)用物理與材料科學(xué)客座研究員、光子電路企業(yè) Emcore 首席技術(shù)官，同時也是該論文作者之一。

在近紅外波段，基于該新平臺的器件性能與主流氮化硅技術(shù)相當(dāng) —— 氮化硅因低損耗數(shù)據(jù)傳輸特性被廣泛應(yīng)用；而在可見光波段，鍺硅酸鹽平臺的表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于氮化硅。

原子級表面平滑度提升相干性

“得益于該材料相對較低的熔點，我們可以將器件放入熔爐，對波導(dǎo)表面進(jìn)行‘回流’處理，使光滑度達(dá)到單個原子級別，這在很大程度上抑制了嚴(yán)重的散射損耗，而這類損耗正是限制傳統(tǒng)可見光光子集成電路的瓶頸。” Hao-Jing Chen表示，“在可見光波段，我們的新平臺性能比氮化硅的紀(jì)錄高出 20 倍，且仍有更大提升空間。”

降低損耗對器件性能影響顯著，例如，采用該技術(shù)制備的激光器，其光相干保持時間是前代產(chǎn)品的 100 倍以上。

新型螺旋波導(dǎo)芯片

光纖盤與加州理工新型螺旋波導(dǎo)芯片對比圖

“我們的方法拓展了波長覆蓋范圍，可支持諸多關(guān)鍵原子級操作，讓芯片級原子傳感器、光學(xué)時鐘和離子阱系統(tǒng)成為可能。” Hao-Jing Chen說。

科爾伯恩指出，對于寬度僅約 2 厘米的芯片而言，追求以千米為單位計量的損耗看似過于嚴(yán)苛。“畢竟我們的芯片直徑只有 2 厘米，但實際上，在很多應(yīng)用場景中，這一特性都極具價值。” 他以環(huán)形諧振器為例 —— 這是科研與通信領(lǐng)域廣泛使用的光學(xué)器件，光會耦合進(jìn)入環(huán)形通路并反復(fù)循環(huán)，放大特定頻率。

環(huán)形諧振器、量子傳感器與未來應(yīng)用

即便這些諧振器僅毫米級尺寸，光的有效傳輸總距離仍取決于傳輸途中的能量損耗。“這正是米級乃至最終千米級低損耗的關(guān)鍵意義所在。” 科爾伯恩說，“光循環(huán)時間越長，最終器件的性能就越高。” 對于借助這類諧振器提升相干性的激光器，損耗每降低 10 倍，相干性便提升 100 倍。

從更廣泛的角度來看，實現(xiàn)可見光波段超低損耗波導(dǎo)，可賦能大量技術(shù)應(yīng)用。“這項技術(shù)極具吸引力的原因之一，在于它如同瑞士軍刀般全能 —— 能應(yīng)用于眾多場景。” 瓦哈拉表示。為證明這一點，加州理工團(tuán)隊在論文中展示了多款用新材料制備的光學(xué)器件，包括環(huán)形諧振器、各類激光器，以及可產(chǎn)生多種頻率的非線性諧振器。

瓦哈拉認(rèn)為，這一進(jìn)展是重要的階段性突破，但未來仍有更多提升空間。“我們尚未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但過去五年已取得重大進(jìn)展，這也是我們本次成果的核心內(nèi)容。” 他說。

https://scitechdaily.com/caltech-breakthrough-brings-fiber-optic-performance-to-silicon-chips/

（來源：scitechdaily）

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