加州理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)，使光能夠在硅晶圓上以極低的信號(hào)損耗傳播，即使在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下也接近光纖的性能。在芯片上實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的效率，標(biāo)志著光子集成電路向前邁出了重要一步，使器件能夠在保持卓越相干性的同時(shí)，將能量損耗降至最低。

這些進(jìn)展可以顯著擴(kuò)展片上技術(shù)的能力，支持高精度工具，如用于計(jì)時(shí)的光學(xué)時(shí)鐘和用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)的陀螺儀，同時(shí)還能改善人工智能數(shù)據(jù)中心的通信，并推動(dòng)量子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展。

加州理工學(xué)院的Ted and Ginger Jenkins信息科學(xué)與技術(shù)及應(yīng)用物理學(xué)教授Kerry Vahala表示：“多年來(lái)，我們一直致力于將基于光纖盤卷的制造工藝轉(zhuǎn)化到硅晶圓上，同時(shí)努力保留光纖超低損耗的標(biāo)志性特性。我們開(kāi)發(fā)出了一種方法，可以將與光纖相同材料制成的光路，直接印刷到用于計(jì)算機(jī)芯片的8英寸和12英寸晶圓上。這種向類光纖性能的轉(zhuǎn)變，尤其是在可見(jiàn)光波段，將催生受益于極低電路能量損耗的新技術(shù)。”

基于光纖的制造方法

研究人員在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文中詳細(xì)闡述了他們的方法。論文的主要作者是加州理工學(xué)院的博士后研究員Hao-Jing Chen和研究生Kellan Colburn，他們?cè)赩ahala的實(shí)驗(yàn)室完成了這項(xiàng)工作。

為了構(gòu)建被稱為波導(dǎo)（芯片上引導(dǎo)光線的納米級(jí)通道）的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)使用了摻鍺硅酸鹽——與光纖中使用的玻璃相同。他們采用基于光刻的制造工藝對(duì)這種材料進(jìn)行成型。由此產(chǎn)生的波導(dǎo)呈螺旋狀排列，延長(zhǎng)了光在芯片上的傳播距離，類似于光在盤繞光纖中的移動(dòng)方式，但通過(guò)納米制造技術(shù)將其壓縮到了更小的面積內(nèi)。

加州理工學(xué)院應(yīng)用物理與材料科學(xué)客座副教授、光子電路專業(yè)公司Emcore的首席技術(shù)官、也是該論文的作者之一Henry Blauvelt表示：摻鍺硅酸鹽波導(dǎo)表現(xiàn)出極低的損耗，并且還能很容易地適配，以高效地在光纖和半導(dǎo)體激光器之間傳輸光，這對(duì)于降低服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施的整體能耗至關(guān)重要。

在近紅外波長(zhǎng)下，基于這種新平臺(tái)構(gòu)建的器件，其性能與領(lǐng)先的氮化硅技術(shù)相當(dāng)。氮化硅因其低損耗的數(shù)據(jù)傳輸特性而被廣泛使用。然而，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下，摻鍺硅酸鹽平臺(tái)的表現(xiàn)明顯優(yōu)于氮化硅。

原子級(jí)表面平滑技術(shù)提升相干性

Hao-Jing Chen說(shuō)：由于這種材料的熔點(diǎn)相對(duì)較低，我們可以將器件放入爐中進(jìn)行回流處理，使波導(dǎo)表面光滑到單個(gè)原子級(jí)別，這極大抑制了此前限制傳統(tǒng)可見(jiàn)光光子集成電路的嚴(yán)重散射損耗。在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下，最新的平臺(tái)比氮化硅的創(chuàng)紀(jì)錄水平好了20倍，而且還有更多改進(jìn)空間。

減少損耗對(duì)器件性能有著重大影響。例如，采用這種方法制造的激光器，其保持相干光的時(shí)間比早期版本長(zhǎng)了100多倍。他談到：“我們的方法所擴(kuò)展的波長(zhǎng)覆蓋范圍，將支持許多重要的原子操作，使芯片級(jí)原子傳感器、光學(xué)時(shí)鐘和離子阱系統(tǒng)成為可能。”

Colburn指出，對(duì)于寬度僅有約2厘米的芯片來(lái)說(shuō)，追求千米級(jí)距離的損耗測(cè)量似乎有些過(guò)頭。畢竟，我們的芯片只有2厘米寬。但實(shí)際上，有很多應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)讓這種技術(shù)變得非常強(qiáng)大。他提到了環(huán)形諧振腔，這是一種在研究和電信領(lǐng)域廣泛使用的光學(xué)元件。在環(huán)形諧振腔中，光被耦合到一個(gè)圓形路徑中，在其中可以循環(huán)傳播，從而放大特定頻率。

環(huán)形諧振腔、量子傳感器與未來(lái)應(yīng)用

“盡管這些環(huán)形腔的尺寸只有幾毫米，但光有效傳播的總距離取決于沿途損失的能量多少。"這就是米級(jí)、甚至最終千米級(jí)的低損耗真正重要的地方，”Colburn說(shuō)，“光循環(huán)得越久，最終器件的性能就能越高。”對(duì)于使用這些諧振腔來(lái)提高相干性的激光器來(lái)說(shuō)，損耗每降低10倍，相干性就會(huì)提高100倍。

更廣泛地說(shuō)，在可見(jiàn)光譜中實(shí)現(xiàn)超低損耗波導(dǎo)，能夠支持廣泛的技術(shù)應(yīng)用。“這項(xiàng)技術(shù)之所以如此引人注目，原因之一在于它具有‘瑞士軍刀’般的品質(zhì)——它可以應(yīng)用于各種各樣的場(chǎng)景。”Vahala說(shuō)。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在論文中描述了用這種新材料構(gòu)建的幾種光學(xué)器件，包括環(huán)形諧振腔、不同類型的激光器，以及可產(chǎn)生一系列頻率的非線性諧振腔。

Vahala表示，這一進(jìn)展是向前邁出的重要一步，但未來(lái)還會(huì)有更多進(jìn)步。我們還沒(méi)有達(dá)到我們想要達(dá)到的目標(biāo)，但我們?cè)谶^(guò)去五年里取得了重大進(jìn)展，這就是我們?cè)诖藞?bào)告的內(nèi)容。

來(lái)源：榮格-《國(guó)際工業(yè)激光商情》

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