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

這一成果標(biāo)志著光子集成電路（PICs）領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵一步，為開(kāi)發(fā)具有卓越相干性和極低能量損耗的新一代光電設(shè)備鋪平了道路。該研究詳細(xì)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(zhǎng)期以來(lái)，光纖以其極高純度的玻璃材質(zhì)和原子級(jí)光滑的表面，成為全球通信網(wǎng)絡(luò)的基石，能夠以極低的損耗傳輸海量數(shù)據(jù)。加州理工學(xué)院應(yīng)用物理與信息科學(xué)技術(shù)教授克里·瓦哈拉（Kerry Vahala）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，致力于將這種光纖的制造工藝“移植”到計(jì)算機(jī)芯片生產(chǎn)所用的硅晶圓上。研究團(tuán)隊(duì)使用與光纖相同的鍺硅酸鹽（germano-silicate）玻璃材料，通過(guò)光刻技術(shù)在芯片上構(gòu)建出被稱為“波導(dǎo)”的光傳輸通道。為了解決微觀尺度下的表面粗糙問(wèn)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(jìn)行“回流”處理，使波導(dǎo)表面熔融平滑至原子級(jí)別。這種處理極大地抑制了光散射損耗，解決了長(zhǎng)期限制可見(jiàn)光波段光子集成電路發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸 。

測(cè)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(dāng)，而在可見(jiàn)光波段，其性能則實(shí)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(duì)設(shè)備性能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，例如，利用該技術(shù)制造的激光器，其光相干時(shí)間比現(xiàn)有版本延長(zhǎng)了100倍以上。研究論文的第一作者、加州理工學(xué)院博士后學(xué)者陳昊京（Hao-Jing Chen，音譯）指出，這一平臺(tái)波長(zhǎng)覆蓋范圍的擴(kuò)展將支持許多重要的原子操作，使得芯片級(jí)原子傳感器、光鐘和離子阱系統(tǒng)的實(shí)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(shè)計(jì)采用了螺旋結(jié)構(gòu)，極大地延長(zhǎng)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(shuō)，對(duì)于環(huán)形諧振器等關(guān)鍵光學(xué)組件而言，光在其中循環(huán)的距離越長(zhǎng)，損耗越低，設(shè)備的性能就越強(qiáng)。每降低10倍的損耗，就能帶來(lái)100倍的相干性提升。這項(xiàng)技術(shù)不僅具有“瑞士軍刀”般的通用性，可廣泛應(yīng)用于從高精度計(jì)時(shí)、旋轉(zhuǎn)測(cè)量（陀螺儀）到量子計(jì)算和傳感等多個(gè)領(lǐng)域，還對(duì)降低數(shù)據(jù)中心服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施的整體能耗具有重要意義。雖然研究團(tuán)隊(duì)表示目前成果尚未達(dá)到終極目標(biāo)，但過(guò)去五年的顯著進(jìn)展已為未來(lái)的光子技術(shù)應(yīng)用描繪出了清晰的藍(lán)圖 。