加州理工学院的研究人员发现了一种在硅晶圆上以极少的信号损失传输光的方法，其在可见波长上的损失接近光纤的水平。这一进展可以支持新一代高相干性和高能效的光子集成电路（PIC），其潜在应用范围从光学时钟和陀螺仪到人工智能数据中心通信和量子计算。光纤已经构成了现代通信背后的大部分隐藏基础设施。它允许信息以高速在长距离上传输，因为光纤内部的玻璃非常纯净，其表面经过工程处理，非常光滑。因此，从一端进入的大部分光都可以不被吸收、散射或以其他方式损失到达另一端。研究人员将此称为超低损耗性能。加州理工学院信息科学与技术，以及应用物理学的Ted和Ginger Jenkins教授Kerry Vahala（BS '80，PhD '85）表示：“多年来，我们一直在努力将光纤的卷基制造工艺转移到硅晶圆上，同时尽量保留光纤的超低损耗特性。我们开发了一种方法，将与光纤相同材料制成的光学电路直接打印到计算机芯片所用的8英寸和12英寸晶圆上。这一向光纤性能的转变，尤其是在可见光波段，将使新技术受益于几乎无能量损耗的电路。”该团队在最近发表在《自然》上的论文中报告了这一技术。该研究的主要作者是加州理工学院的博士后学者陈浩晶和研究生凯伦·科尔本（MS '25），他们在Vahala的实验室开展了这项工作。将光纤玻璃带入芯片。研究人员使用伽马硅酸盐（germano-silicate）创建波导（在芯片上引导光的纳米级通道），这种玻璃与光纤中使用的相同。他们将材料改造成适合在晶圆上制造设备的光刻工艺。波导不是以直线形状运行，而是以螺旋形排列。这使得光能够在保持在非常小的区域内的同时，通过更长的光学路径进行传播。这个想法类似于将光纤缠绕在卷轴上，但是纳米制造技术使得可以将光路径置入更小的占地范围内。加州理工学院应用物理学和材料科学的访客副教授亨利·布劳维尔特（Henry Blauvelt）（PhD '83）表示：“伽马硅酸盐波导展示了极低的损耗，并且非常适合在光纤和半导体激光之间有效传输光，这对降低服务器基础设施的整体能耗至关重要。”在可见波长上的20倍优势。在近红外波长下，基于新的加州理工学院平台制造的设备已经达到了某些最佳的硅氮化物设备的性能。硅氮化物由于其能够相对较小的信号损失传输数据，广泛应用于光学技术。在可见波长上的优势要大得多。新的伽马硅酸盐平台在这个光谱部分大大超过了硅氮化物。“由于材料相对较低的熔点，我们可以将设备放入炉中对波导的表面进行“再流动”，使其光滑度达到单个原子的水平，这在很大程度上抑制了传统可见光PIC限制的严重散射损耗，”陈说。“在可见波长下，我们最近的平台超越硅氮化物的记录达20倍，我们还有更大的提升空间。”降低损耗可以对光学设备的性能产生显著影响。例如，使用新平台制作的激光，在光保持相干性时间方面相比以前的设计提升了100倍以上。“我们方法扩大所提供的波长覆盖范围，将支持许多重要的原子操作，使芯片级原子传感器、光学时钟和离子阱系统成为可能，”陈说。为什么微小芯片需要公里级性能。最初，在米或甚至公里的距离上测量损失的努力，似乎对于仅适合于小芯片的设备来说是过于严格的要求。科尔本承认，起初可能看起来“有点荒谬”，研究人员希望在公里的损失上达到百分比。“毕竟，我们的芯片只有2厘米宽。但是，实际上，有很多应用可以非常强大，”他说。一个例子是环谐振器，这是一种在科学研究和数据传输中使用的基本光学设备。光进入设备并被引导进入一个环，其中它可以持续循环很长一段时间。这种反复循环增强了