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將光纖優(yōu)異的低損耗性能延伸到光子芯片上，一直是光電子領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，美國加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)終于在可見光波段，成功制備出光纖水平的低損耗硅晶圓光導(dǎo)。這項(xiàng)進(jìn)展將推動(dòng)下一代高性能、高相干性的光子集成電路的發(fā)展，未來可廣泛應(yīng)用于片上光學(xué)時(shí)鐘、陀螺儀等精密測(cè)量系統(tǒng)，以及人工智能數(shù)據(jù)中心通信和量子計(jì)算等領(lǐng)域。該成果發(fā)表于最新一期《自然》雜志。

團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新方法，可將與光纖相同的鍺硅酸鹽玻璃以光刻工藝制備在硅晶圓上，在光子芯片低損耗光導(dǎo)研究方面取得關(guān)鍵突破。他們使用8英寸或12英寸晶圓，制備出螺旋狀鍺硅酸鹽玻璃波導(dǎo)。這種結(jié)構(gòu)能在有限面積內(nèi)有效延長光路，同時(shí)材料便于與光纖和半導(dǎo)體激光器高效耦合，有助于降低數(shù)據(jù)中心等設(shè)施的能耗。

相比當(dāng)前廣泛使用的氮化硅材料，新平臺(tái)在近紅外波段已具備相當(dāng)性能，在可見光波段優(yōu)勢(shì)更為明顯。再通過低溫退火工藝，波導(dǎo)表面可達(dá)到原子級(jí)平整，顯著抑制散射損耗。在可見光波段，其性能較氮化硅現(xiàn)有紀(jì)錄提升約20倍。

盡管芯片尺寸僅約2厘米，但光在環(huán)形諧振腔等器件中的有效路徑長度可達(dá)米至千米量級(jí)，此時(shí)低損耗尤為關(guān)鍵。

低損耗特性直接提升了器件性能?；谠撈脚_(tái)制備的激光器件，其相干時(shí)間較上一代技術(shù)提高100多倍。這一方法也擴(kuò)展了可用波長范圍，有助于實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)原子傳感器、光學(xué)時(shí)鐘和離子阱系統(tǒng)。

目前，團(tuán)隊(duì)已利用該材料制備出環(huán)形諧振器、多種激光器及非線性頻率生成器等。

總編輯圈點(diǎn)

可見光在傳統(tǒng)硅材料中傳播時(shí)損耗顯著。為破解這一難題，研究團(tuán)隊(duì)通過精密的光刻工藝，在硅晶圓表面刻蝕出特殊的光學(xué)回路，這就如同為光線修建了一條通暢的“高速公路”，極大減少了光在傳播過程中的散射損耗。該研究成果將為未來芯片技術(shù)帶來重要影響。它意味著，科學(xué)家有望在硅芯片上，用低損耗的可見光來進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算，從而大幅提升計(jì)算速度、降低能耗。這將為下一代光子集成電路、量子信息處理等領(lǐng)域打開新的大門。