摘要 加州理工学院的科学家在硅芯片上研制出超低损耗光通路，其效率接近光纤；在可见光波段性能远超现有技术。该突破有望催生性能更强的激光器、微型原子传感器与原子钟、量子系统，以及能效更高的数据中心。

加州理工学院研究人员开发出一种技术，可在硅晶圆上传导光线，信号损耗极低，在可见光波段已经接近光纤水平。这一成果为新一代超高相干、高效率的**光子集成电路（PIC）**铺平道路，将对众多片上应用产生深远影响，包括光钟计时、陀螺仪转角测量等精密测量场景、人工智能数据中心通信，乃至量子计算领域。（图片来源：瓦哈拉实验室 / 加州理工学院）

光纤是现代通信大量依赖的底层基础设施。光纤内部玻璃纯度极高，表面经过特殊加工做到极致光滑；因此绝大多数入射光可以从一端传输到另一端，几乎不会被吸收、散射或产生其他损耗，研究者将这种特性称为超低损耗。

“多年来，我们一直希望把绕盘式光纤制造工艺移植到硅晶圆上，同时保留光纤标志性的超低损耗优势。”加州理工信息科学与技术、应用物理学教授克里·瓦哈拉表示，“我们开发了一套工艺，可以直接在8英寸、12英寸计算机芯片晶圆上制备由光纤同源材料构成的光电路。这套技术实现接近光纤的性能，尤其在可见光波段，能够赋能一大批对电路能量损耗要求极低的全新技术。”

该团队相关成果发表于《自然》期刊，第一作者为加州理工博士后陈皓景与研究生凯兰·科尔本，全部工作在瓦哈拉实验室完成。

将光纤玻璃搬上芯片

研究人员使用锗硅酸盐玻璃（与通信光纤为同种玻璃材料）制备波导——也就是芯片上用来约束、传导光线的纳米级通路，并将该材料适配到适合晶圆加工的光刻制造工艺。

波导并非直线排布，而是设计成螺旋结构。这样光线可以在极小的芯片面积内走过很长的光程，原理类似把光纤缠绕在线盘上；而纳米加工技术把这套光路压缩到极小的芯片尺寸中。

“锗硅酸盐波导损耗极低，还可以高效实现光纤与半导体激光器之间的光耦合，这对于降低服务器基础设施的整体能耗至关重要。”论文作者、加州理工应用物理与材料科学访问副研究员，同时也是光子电路企业Emcore首席技术官的亨利·布劳维尔特说道。

可见光波段性能提升20倍

在近红外波段，这套新平台器件性能已经追平氮化硅器件的最优水平。氮化硅是光技术领域广泛使用的材料，信号传输损耗相对较低。

而到了可见光波段，该锗硅酸盐平台的优势被进一步放大，性能大幅超越氮化硅。

“这种材料熔点相对较低，我们可以把器件放入炉内，让波导表面发生熔融回流，将表面光滑度做到原子级，极大抑制传统可见光光子集成电路中严重的散射损耗。”陈皓景介绍，“在可见光波段，我们这套平台的损耗指标达到氮化硅历史最优记录的20倍，同时仍有很大优化空间。”

损耗降低会极大提升光器件性能。例如基于该平台制作的激光器，光相干维持时间相比旧设计提升100倍以上。

“我们这项技术拓展的波长范围，可以支撑大量关键原子操控实验，使芯片级原子传感器、光原子钟、离子阱系统成为现实。”陈皓景说。

小小的芯片，为何需要公里级传输性能？

芯片尺寸仅有厘米级别，去评估米级、甚至公里尺度的光损耗，乍看似乎多此一举。

科尔本坦言，一开始追求按公里来衡量的损耗指标，看上去“有点荒唐”：“毕竟我们芯片的横向尺寸只有2厘米。但现实中，很多应用非常依赖这种低损耗特性。”

典型例子就是环形谐振器，这是科研与数据传输都广泛使用的基础光学器件。光进入器件后被约束在环形回路内循环，不断循环会增强特定频率的光信号。

谐振环物理尺寸只有数毫米，但光每绕环一周都会损失一部分能量，光实际的等效传播总距离，完全取决于波导损耗大小。

“这就是为什么米级、乃至公里级的低损耗指标至关重要。”科尔本解释，“光循环时间越长，最终器件性能就越高。”

对于依靠谐振器提升相干性的激光器，收益会急剧放大：损耗每下降10倍，相干性就提升100倍。

从光原子钟到量子技术

能够制备覆盖可见光波段的超低损耗波导，对大量技术方向都具备实用价值。

瓦哈拉评价：“这项技术最吸引人的一点就是它如同瑞士军刀，拥有非常广阔的应用场景。”

论文中展示了使用该新材料制备的多种器件：环形谐振器、多款激光器，以及可以产生多种频率光信号的非线性谐振器。

研究团队表示，当前成果只是阶段性进展，并非技术终点。 “我们距离最终目标还有距离，但过去五年我们取得了长足进展，这正是本次论文所要报道的内容。”瓦哈拉说道。

论文标题：《面向光子集成：实现从紫光到近红外波段的类光纤损耗水平》

论文作者

加州理工：刘鹏、阎鸿瑞、葛锦浩、刘晋宇、菲尼亚斯·勒汉；往届研究生纪清鑫；往届博士后袁志权；本科生科研项目参与者侯汉飞。 合作单位：加州大学圣巴巴拉分校、荷兰莱顿大学（德克·鲍梅斯特）；英国南安普顿大学（克里斯托弗·霍尔姆斯、詹姆斯·盖茨）。

本研究获得美国国防高级研究计划局、空军研究实验室、英国工程与物理科学研究理事会、加州理工卡夫利纳米科学研究所资助。

期刊引用

Hao‑Jing Chen, Kellan Colburn, et al. Towards fibre‑like loss for photonic integration from violet to near‑infrared. Nature, 2026, 649(8096):338. DOI:10.1038/s41586‑025‑09889‑w

本文来源：加州理工学院，内容经过编辑润色。