让芯片上的光子通道达到光纤玻璃般的纯净透明，是科研团队二十余年来持续探索的目标。如今，随着制备工艺取得关键突破，这一目标正逐步成为现实。美国加州理工学院、南安普敦大学与加州大学圣塔芭芭拉分校的联合团队，在《自然》期刊发表了一项重要成果：他们开发出一种超低损耗掺锗二氧化硅光子集成平台，为光子芯片领域开辟了新方向。
掺锗二氧化硅并非陌生材料，日常使用的光纤便由其构成。研究团队通过标准半导体CMOS工艺，将这种光纤材料成功迁移至芯片层面，实现了“片上光纤”的突破。该芯片在可见光到近红外波段展现出卓越性能，损耗值低于1分贝/米（dB/m），其中紫光波段（458nm）损耗低至0.49dB/m，1064nm波段损耗仅为0.08dB/m，接近1970年康宁公司首次制成低损耗光纤时的水平。
基于这一平台，研究团队演示了光学频率梳、布里渊激光与窄线宽激光器三种核心功能，证明其不仅能实现单一功能，还可作为支撑多种高性能光子器件的通用工具。尤为突出的是，可见光芯片激光器的线宽被压缩至10赫兹量级，较此前记录优化2至3个数量级，这对原子传感器、光学原子钟及量子计算系统具有关键意义。
光子芯片的损耗水平被视为其“生命线”。传统光纤凭借超低损耗实现了全球数据的高速传输，而将这种能力压缩至芯片层面面临巨大挑战。光在微米级通道中传播时，会因材料吸收、散射及表面污染导致能量损耗。损耗每增加一个数量级，光信号传输距离或运算复杂度将降低十倍，激光器能耗与相干性甚至可能恶化百倍。因此，降低损耗是光子芯片从实验室走向实际应用的核心难题。
过去十年，氮化硅与薄膜铌酸锂平台在通信波段（约1550nm）取得显著进展，但向可见光及近红外波段（400-1100nm）拓展时遭遇物理瓶颈。短波长光子对波导侧壁粗糙度更敏感，散射损耗显著增加；同时，光子能量提升导致材料吸收概率上升。开发可见光波段超低损耗平台，需材料纯度、制备工艺与器件设计同步达到新高度。
研究团队从光纤设计中获得灵感，在二氧化硅芯片波导中掺入二氧化锗。这一创新不仅改变了材料折射率以约束光场，还意外降低了材料熔点。利用标准退火炉在约1000℃下进行晶圆级热回流处理，通过表面张力将波导侧壁打磨至原子级光滑，从根源上抑制了光散射损耗。例如，绿光波段微环腔的品质因子达到2亿，较氮化硅平台提升2个数量级。
该平台的另一优势在于与现有CMOS代工工艺完全兼容。其生产过程采用等离子增强化学气相沉积、紫外光刻及电感离子耦合刻蚀等技术，半导体代工厂仅需微调工艺即可大规模生产。由于光波长大于电子波长，光芯片对光刻精度要求较低，且热回流技术对侧壁粗糙度容错性高。芯片在退火前已能达到超低损耗，与热敏感材料（如三五族半导体激光器）的异质集成兼容性良好。
尽管团队已在可见到近红外波段取得领先，但距离光纤材料极限仍有百倍优化空间。下一步计划通过改进沉积、刻蚀与退火工艺，追求芯片上0.2dB/km的超低损耗目标。这一平台有望在精密测量、人工智能与量子信息领域率先展现价值。例如，极低损耗可提升光学原子钟与陀螺仪精度；在光计算中，允许光信号完成数千次运算以释放更高算力；在量子领域，可降低计算错误率并支撑大规模量子网络构建。
从光纤到芯片，人类对光子材料的探索正推动信息处理向更高效、更紧凑的方向发展。这场始于沙石的变革，如今在芯片层面焕发新生，为未来技术突破奠定了基础。
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