引 言

光，这位宇宙中最古老的信使，在穿越了亿万星辰后，会在人类发丝般纤细的芯片通道里“摔跤”？这听来像一则微观世界的寓言，却是集成光子学领域多年来的“阿喀琉斯之踵”——在短波长 (400–1100nm) 下，材料吸收和散射损耗显著增加。2026年1月，加州理工学院等多所顶尖机构组成的国际团队在《自然》杂志发表了里程碑式研究，彻底打破了这一“短波长魔咒”：首次以完全兼容现有半导体大生产工艺（CMOS）的方式，将构成现代光纤核心的“神奇材料”——锗硅酸盐（Ge-silica），集成到了光子芯片上，实现了从紫光（458nm）到红外光（1550nm） 的全程“光纤级”超低损耗传输。

第一章 全波段超高Q微环：突破短波长瓶颈

研究团队制造的微环谐振器创造了多项世界纪录：在458nm到1550nm的整个测试范围内，不同波长下的谐振腔透射光谱都证明本征Q值超过1.8亿。其中最引人注目的是：1064nm处，本征Q值达到4.63亿，对应波导损耗仅0.08dB/m；458nm处的损耗为0.49dB/m，比此前最佳记录降低13dB。这两个数字具有重大意义：0.08dB/m的损耗已接近1970年第一根低损耗光纤的水平；而在传统芯片损耗最大的紫光波段，更是实现了超过一个数量级的改进。

图1 超高Q值Ge-silica微环。

第二章 工艺突破：Ge-silica波导芯片

研究团队利用等离子体增强化学气相沉积技术并结合深紫外（DUV）步进式光刻和干法刻蚀形成波导结构。为了降低短波长下表面粗糙度引起的散射损耗，研究人员引入高温回流退火工艺，借助Ge-silica的低黏度特性实现侧壁的重熔和平滑，使Ge-silica波导侧壁接近原子级的平滑度，将表面散射损耗降至最低。此外，由于高精度以及成熟的刻蚀工艺，Ge-silica波导即使在未经后期高温退火处理的情况下也能实现1550nm处的0.15dB/m的超低损耗，比现有未退火平台在C波段的损耗降低10倍以上。这一无需退火即可获得超高性能的特性，使该平台能够与温度敏感器件直接集成，解决了高性能与可集成性长期矛盾的问题。

图2 Ge-silica超低损耗PIC的CMOS兼容性与工艺流程。

第三章 不止于低损耗：芯片展现的三大特性

特性一：可控色散，生成光学频率梳

传统超低损耗薄膜氮化硅平台由于波导厚度较薄，色散工程能力有限。该平台仅表现出正常色散，并需要耦合环结构来生成孤子微梳。而Ge-silica平台的波导厚度可以灵活调节，研究人员通过精密设计波导的几何形状，成功实现了“反常色散”，并在单个微环谐振腔内直接产生了孤子光学频率梳，谱包络表现出明显的sech²包络，重复频率为21.2GHz；1kHz的分辨率带宽确认了脉冲序列的稳定性。

特性二：声光耦合增强，实现片上布里渊激光

当光与材料中的声波相互作用时，会产生一种名为“布里渊散射”的效应。传统平台上，光波和声波难以被同时限制在微小区域高效互动。通过GeO₂掺杂降低波导芯相对于二氧化硅包层的纵向声速，实现完全横向受限的声学模式，使声波被有效限制在波导芯内。这一设计显著增强了光子-声子相互作用，使得光学模式和声学模式在空间上高度重叠，从而实现了高效的受激布里渊激光。泵浦波与斯托克斯波之间的微波拍频信号显示出了极高信噪比，证明了其优异的相干性。

图3 使用Ge-silica平台的演示应用。

特性三：抑制热噪声，打造赫兹级超窄线宽激光

窄线宽激光器在精密计量到相干光通信等应用中至关重要。将超高Q值微环谐振器与半导体二极管激光器集成，可以大幅降低片上激光器的频率噪声。然而，热折射噪声（TRN）仍会干扰激光频率的稳定性。由于TRN与模场面积成反比，而该平台波导具有较大的模场面积，使局部温度涨落的影响得到抑制，从而显著减弱了TRN。基于此，研究人员将商用DFB激光器与Ge-silica微环耦合，通过自注入锁定技术，成功实现了赫兹（Hz）量级的基础线宽，频率噪声降低了46dB。值得注意的是，这种线宽压窄能力可以拓展至可见光波段，632nm、512nm和444nm处的基础线宽分别低至15Hz、12Hz和90Hz。与最先进的集成激光器相比，Ge-silica平台在可见光谱线宽上提升超过20 dB。

图4 半导体激光器和锗硅酸盐器件的混合集成。

终 章

从某种意义上说，这项研究将光纤通信在过去五十年间重塑人类社会的“基因”——低损耗、宽波段、高稳定——成功地“转录”并“表达”在了硅基光子芯片上。它不仅是集成光子学的一座高峰，更是开启下一代光信息技术宝库的一把钥匙。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09889-w