光子芯片作为新一代信息技术的关键器件，其性能瓶颈长期困扰业界。如何将光纤优异的低损耗特性移植到集成光子芯片上，一直是光电子领域亟待解决的核心难题。近日，加州理工学院研究团队国际顶级学术期刊《自然》杂志发表最新成果，宣布在可见光波段成功制备出光纤水平的低损耗硅晶圆光导，为该长期困扰业界的问题提供了创新解决方案。 问题的症结在于材料与工艺的双重制约。传统光子芯片多采用氮化硅等材料制备波导，虽然在近红外波段性能可观，但在可见光波段的损耗问题始终未能有效解决。光信号在传输过程中的散射损耗直接影响芯片的工作效率和精度，这对于需要长光路的精密测量和量子应用尤为关键。 研究团队的创新之处在于材料选择和结构设计的有机结合。他们采用与光纤相同的锗硅酸盐玻璃材料，通过光刻工艺将其精确制备在标准硅晶圆上，突破了材料兼容性的瓶颈。在8英寸或12英寸晶圆基础上，团队设计出螺旋状波导结构，这一巧妙的几何设计在有限的芯片面积内有效延长了光的传输路径，使得仅约2厘米的芯片能够实现米至千米量级的有效光路长度。 工艺优化同样至关重要。通过低温退火处理，研究人员将波导表面打磨至原子级平整，从源头上显著抑制了光的散射损耗。这一微观层面的精细控制直接转化为宏观性能的飞跃：在可见光波段，新平台的性能较氮化硅现有纪录提升约二十倍，这一突破性进展充分反映了材料科学与微纳加工技术的深度融合。 低损耗特性的提升带来了器件性能的全面改善。基于该平台制备的激光器件，其相干时间较上一代技术提高了一百多倍，这意味着光信号能够保持更长时间的相干性，为高精度测量和量子应用创造了条件。同时，新材料平台扩展了可用波长范围，为芯片级原子传感器、光学时钟和离子阱系统等前沿应用开辟了新的可能性。 从应用前景看，这项技术突破具有广泛的产业价值。在精密测量领域，片上光学时钟和陀螺仪等器件将因低损耗特性而获得更高的精度和稳定性。在数据中心通信上，低损耗光导能够显著降低能耗，符合当前绿色计算的发展方向。在量子计算领域，低损耗特性为量子比特的长相干时间提供了物理基础，有助于推进量子计算的实用化进程。 目前，研究团队已利用该材料平台成功制备出环形谐振器、多种激光器及非线性频率生成器等关键器件，验证了技术的可行性和多功能性。这些初步成果为后续的工程化应用奠定了坚实基础。
这项突破标志着光电子技术向高性能、低能耗方向迈出重要一步；未来，工艺优化和规模化生产将成为研发重点，该技术有望成为推动信息技术发展的新动力。