从紫光到近红外：让光芯片的信号损耗像光纤一样低

在较短波长（400–1100 nm），波导损耗因两个基本限制而激增。首先，当光波长接近表面粗糙度尺度时，散射损耗增加（表面瑞利散射）；其次，当光子能量进入非晶或晶体电介质的乌尔巴赫尾时，吸收损耗增加。然而，许多重要的光子应用都在这些波长范围内运行，例如光钟、量子计算与网络、生物成像、天文观测、水下和数据中心通信、紧凑型激光雷达以及一般的原子物理研究。二氧化硅和掺锗二氧化硅（锗硅酸盐）因其极低的材料吸收，已被广泛用于短波长工作的光纤中，但二氧化硅需要悬浮结构，锗硅酸盐缺乏成熟制造工艺，导致光子集成电路（PIC）平台实现类光纤损耗的潜力尚未挖掘。

本文展示了将光纤材料用于实现具有类光纤损耗的平面集成光子电路的第一步。与光纤类似，GeO₂掺杂提高了锗硅芯的折射率，实现了在二氧化硅包层内的光限制。通过深紫外（DUV）步进光刻制造工艺在硅晶圆上加工波导电路，利用锗硅酸盐的低材料损耗和标准炉温下的低粘度回流特性，实现了从紫光到电信波段的亚dB/m波导损耗。其中，紫光波段损耗比现有平台低13 dB，1064 nm处0.08 dB/m的最低损耗接近1970年康宁低损耗光纤水平。无需热退火即可实现超低损耗，这对与温度敏感材料的集成至关重要。

该平台还具备色散工程、声限制和热噪声抑制等优势。DUV光刻定义的波导可按需进行色散工程，已通过孤子微梳生成验证；GeO₂掺杂降低声速，实现光和声模式同时限制，已通过布里渊激光演示；支持超过4μm厚度，形成大模面积电路以降低热折射噪声，已通过低频噪声自注入锁定验证。这些特性为片上原子和离子控制等复杂系统应用奠定基础。

为评估宽带性能，制作了3 mm直径的空气包层微环谐振器，通过表面张力诱导平滑化实现原子级光滑侧壁，在458 nm至1550 nm波长范围内本征Q值超1.8亿，1064 nm处最高达4.63亿，对应波导损耗0.08 dB/m，458 nm处损耗0.49 dB/m，较之前记录提升13 dB。

制造工艺兼容CMOS：通过PECVD沉积4μm厚锗硅层，经DUV光刻和蚀刻加工成脊形波导，退火处理去除侧壁粗糙度。无退火器件也能实现高Q值，1550 nm处损耗0.15 dB/m，比现有记录降低10倍以上，利于与III-V材料、有机光电等温度敏感材料集成。

应用演示包括：单环孤子微梳（反常色散，稳定21.2 GHz重复率）、受激布里渊激光（光声模式共限制，9.68 GHz频移，高相干性）、混合集成低噪声激光器（大模面积降低热噪声，可见波段实现12–90 Hz本征线宽，性能超现有平台20 dB以上）。

该锗硅平台突破短波长限制，未来有望达到0.2 dB/km的材料极限损耗，推动光纤基技术向CMOS制造转移，助力固态陀螺仪、精密时钟、量子计算等领域发展。