本文介绍了一项由来自加州理工学院T. J. Watson应用物理实验室（California Institute of Technology）、加州大学圣巴巴拉分校（University of California Santa Barbara）、莱顿大学（Leiden University）和南安普顿大学光电子研究中心（University of Southampton）等单位的研究团队，于2026年1月8日在《自然》（*Nature*）期刊上发表的最新原创性研究成果。该研究题为“Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared”，首次报道了一种基于锗硅酸盐（Germano-silicate，或称Ge-硅酸盐）的超低损耗光子集成电路（Photonic Integrated Circuit, PIC）平台，其性能在从紫色光到近红外线的宽光谱范围内达到了与光纤相媲美的水平。

一、研究学术背景

光子集成电路是现代信息技术的核心基石之一，它将多种光学功能集成在微小芯片上，极大地促进了光通信、激光雷达、光学频率合成以及量子信息处理等领域的发展。过去数十年，面向电信波段（约1550纳米）的超低损耗PIC技术取得了显著进展。然而，在更短的波长（如可见光到近红外波段，400-1100纳米），波导损耗会急剧增加。这主要源于两个根本限制：其一是表面粗糙度引起的瑞利散射（Rayleigh scattering）损失随波长缩短而指数级上升；其二是光子能量进入非晶或晶态电介质乌尔巴赫（Urbach）吸收带尾部导致的材料吸收增加。这些高损耗严重制约了芯片级光学时钟、量子计算与网络、生物成像、原子物理研究、水下通信、数据中心光互连、紧凑型激光雷达等诸多重要可见光及近可见光光子应用的发展。

与此同时，由二氧化硅（SiO2）和掺锗二氧化硅（即锗硅酸盐）构成的材料体系，因其在光纤中展现出的极低材料损耗而被广泛用于短波长光纤通信。将这种“光纤级”的低损耗特性引入到平面集成的光子芯片中，是人们长期追求的目标。然而，由于工艺兼容性等挑战，这一愿景此前一直未能实现。

因此，本研究旨在开发一种新型的PIC平台，该平台应兼具：1）在从紫色到电信波段的宽光谱范围内实现类似光纤的超低传输损耗；2）采用与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）代工厂完全兼容的制造工艺；3）支持色散工程、声学模式限制、大模场面积等高性能特性，以满足复杂光子系统的需求。

二、详细工作流程

本研究是一个系统性的平台开发与验证工作，主要包含以下几个关键步骤和程序：

1. 材料选择与平台设计：研究团队选择了锗硅酸盐（GeO2-SiO2）作为波导核心材料，因为它在光纤中已被证实具有极低的宽光谱本征吸收。通过在SiO2中掺杂GeO2提高其折射率，可以在纯SiO2包层中实现光场限制，其原理类似于光纤。团队设定了高达25摩尔百分比的GeO2掺杂浓度，以实现约2%的折射率差，并设计出厚度达4微米的脊形波导结构，以支持大模场面积、降低热折射噪声。

2. CMOS兼容的制造工艺开发：这是研究的核心创新点。团队开发了一套完整的深紫外（DUV）步进式光刻兼容制造流程。首先，在带有15微米厚热氧化层的硅晶圆上，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在约270°C的温度下沉积了4微米厚的锗硅酸盐层。这一温度设置决定了后续流程无需高温退火的“热预算”。接着，利用钌（Ru）和二氧化硅作为硬掩模，通过DUV光刻和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，将锗硅酸盐层加工成脊形波导。其中，钌掩模在氟基刻蚀中提供了高选择比，确保了高保真的深槽刻蚀。为降低粗糙度散射损耗，晶圆随后在1000°C的炉中进行12-18小时的高温退火。退火过程利用锗硅酸盐在标准温度下独特的低粘度回流特性，通过表面张力平滑了侧壁，实现了原子级光滑度，而热氧化硅衬底则不受影响。此外，团队还探索了两种上包层沉积方法：一种是使用14微米厚的轻微磷掺杂（P2O5）二氧化硅包层以实现完全的声学限制；另一种是采用更高质量的ICP-PECVD沉积二氧化硅包层（>6微米厚）以保护器件免受长期大气暴露的污染，实验证明封装后数月内器件仍能保持超高品质因子。

3. 波导与微环谐振器表征：为了评估平台在宽光谱范围内的性能，研究团队制造了直径3毫米的空气包层微环谐振器。使用U形锥形光纤耦合器在458纳米至1550纳米的多个波长上测量了谐振器的品质因子（Q值）。通过扫描欠耦合状态下的传输光谱，利用谐振透射功率和线宽计算出本征光学Q值。实验使用了多个经过单独干涉仪校准的可调谐外腔激光器进行测量。此外，还对比测量了未经退火处理的“免退火”器件的性能，以评估其与温度敏感材料集成的潜力。

4. 关键功能应用演示：为证明该平台在超低损耗之外的实用优势，研究团队进行了三项关键应用演示，均使用经过退火以获得最佳性能的器件。

   • 单环孤子微梳生成：设计并制造了具有反常色散的单模传输锗硅酸盐微环谐振器。使用经过马赫-曾德尔干涉仪校准的外腔激光器在1520-1630纳米范围内表征了用于孤子产生的模式族的色散。随后，采用频率“踢入”和锁定捕获技术触发并稳定了孤子态。通过光学光谱分析仪和电谱分析仪分别验证了孤子光谱的sech²包络形状和约21.2 GHz的稳定重复频率。
   • 声学限制与受激布里渊激光：为了验证平台同时限制光学和声学模式的能力，设计并制造了具有特定包层的长波导（约25毫米）和直径约20毫米的空气包层谐振器。通过泵浦-探测方法测量了受激布里渊散射（SBS）增益谱，并与基于有限元法的仿真结果进行对比。利用高Q值谐振器演示了高相干性的片上布里渊激光产生，测量了泵浦与斯托克斯波之间的微波拍频信号。
   • 大模场增强型混合集成低噪声激光器：演示了将商用分布反馈（DFB）激光器和法布里-珀罗（FP）激光器与锗硅酸盐超高Q微环进行自注入锁定（Self-injection Locking, SIL）。通过端面耦合将激光芯片与谐振器芯片的波导对接，利用微环中的背向瑞利散射提供光学反馈来压窄激光线宽。反馈相位通过控制芯片间的空气间隙进行调节。使用自外差装置对锁定后的激光进行频率噪声表征，并测量了其基底线宽。分别在632纳米（红）、512纳米（绿）和444纳米（紫）波长下，对多模FP激光器进行SIL，实现了单模、窄线宽输出。

5. 数据分析与仿真：研究过程中运用了多种数据分析与仿真工具。Q值和波导损耗之间通过公式 α(db/m) = 10 × log10(e) × (2π n_eff) / (Q0 λ) 进行换算。声光模式分布、受激布里渊散射增益谱以及热折射噪声（Thermorefractive Noise, TRN）均使用商业有限元分析软件COMSOL Multiphysics进行模拟计算。例如，TRN仿真基于涨落-耗散定理，对锗硅酸盐、薄氮化硅和厚氮化硅三种材料在不同波导尺寸下的TRN谱进行了对比。

三、主要研究结果

1. 宽带超高品质因子与创纪录的低损耗：测量结果显示，锗硅酸盐微环谐振器在从458纳米（紫光）到1550纳米（电信波段）的宽光谱范围内，本征Q因子均超过了1.8亿（180 million）。其中在1064纳米处达到了最高的Q值4.63亿，对应的波导损耗低至0.08 dB/m。在458纳米处的损耗为0.49 dB/m，这比现有集成平台的最佳记录降低了13 dB（约20倍）。图1b清晰地展示了该平台在宽光谱范围内的损耗性能显著优于目前最先进的氮化硅（Si3N4）、薄膜铌酸锂（LiNbO3）等平台。这一成就归功于原子级光滑的侧壁和锗硅酸盐材料本身固有的宽谱超低损耗窗口。

2. 免退火工艺带来的巨大优势：即使不经过高温退火处理，空气包层谐振器也能实现接近2亿的Q值，在1550纳米处对应的最低波导损耗为0.15 dB/m。图2c显示，在C波段，该“免退火”工艺的波导损耗比之前的记录降低了超过10倍（>10 dB）。这一特性对于需要与对温度敏感的III-V族材料、有机电子/光子器件、薄膜铌酸锂、热工程石英基底以及锗硅光电探测器等进行单片/异质集成的应用至关重要，因为它避免了高温工艺对其它功能材料的损伤。

3. 应用演示的成功验证：

   • 单环孤子微梳：成功在单个超高Q微环中产生了孤子微梳，其光谱具有明确的sech²包络，电谱分析确认了21.2 GHz的稳定重复频率。这证明了该平台具备在单环结构中实现反常色散设计的能力，而无需依赖复杂的多环耦合结构。
   • 片上受激布里渊激光：实验测量的SBS增益谱与仿真结果高度吻合，增益峰在9.55 GHz，半高全宽为44.7 MHz，对应机械Q因子约为210。基于谐振器的布里渊激光器产生了9.68 GHz频移的斯托克斯波，其微波拍频信号具有高信噪比，证实了高相干性。这直接验证了通过GeO2掺杂降低声速，从而在波导核心内同时限制光学和声学模式的能力。
   • 混合集成窄线宽激光：将C波段DFB激光器与Q因子超过1亿的锗硅酸盐微环进行SIL后，激光频率噪声在特定偏移频率处降低了46 dB，实现了赫兹（Hz）量级的基底线宽。更重要的是，将SIL技术扩展到可见光波段，使用多模FP激光器，在632纳米、512纳米和444纳米波长分别实现了15 Hz、12 Hz和90 Hz的基底线宽。如图4e所示，与最先进的氮化硅平台相比，该平台在可见光波段的激光基底线宽改善了超过20 dB。

4. 热折射噪声抑制：仿真结果表明，得益于大模场面积设计（28.06 μm²），锗硅酸盐波导的热折射噪声显著低于薄氮化硅（7.71 μm²）和厚氮化硅（1.33 μm²）波导。这一特性是获得极低频率噪声激光的关键因素之一。

四、研究结论

本研究成功开发并验证了一种基于CMOS兼容工艺的锗硅酸盐超低损耗光子集成平台。该平台首次将光纤材料体系的优异性能移植到平面光子芯片上，在从紫光到近红外的宽光谱范围内实现了“光纤级”的损耗（最低0.08 dB/m @ 1064 nm），并将可见光波段的损耗记录降低了13 dB。更重要的是，其“免退火”工艺为与多种活性材料进行异质集成铺平了道路。通过孤子微梳生成、受激布里渊激光和自注入锁定窄线宽激光等演示，证明了该平台在色散工程、声光协同限制和热噪声抑制方面的多重优势。这项工作标志着集成光子学在向更短波长、更高性能、更复杂系统应用迈进的道路上取得了突破性进展。

五、研究亮点

1. 材料与工艺的重大创新：首次采用完全CMOS代工兼容的DUV光刻工艺，实现了基于锗硅酸盐这一经典光纤材料的超低损耗PIC平台，桥接了光纤技术与芯片集成技术之间的鸿沟。
2. 突破性的性能指标：在宽达458-1550纳米的光谱范围内，谐振器Q因子全面超过1.8亿，创造了多个波长（尤其是短波长）下的最低损耗记录，并将“免退火”工艺的损耗水平提升了一个数量级。
3. 多维度功能验证：不仅追求超低损耗，还系统性地验证了该平台在非线性光学（孤子产生）、声子学（布里渊激光）和激光稳频（窄线宽激光）等前沿应用中的优异性能，展示了一个多功能、高性能平台的潜力。
4. 解决了关键挑战：通过高温退火实现原子级光滑侧壁，有效克服了短波长瑞利散射损耗的瓶颈；通过“免退火”工艺解决了与温度敏感材料集成的兼容性问题。
5. 广阔的应用前景：该平台的成熟有望推动芯片级光学原子钟、精密导航系统、量子传感器、高功率放大器、锁模激光器以及大规模量子计算光路等系统级应用的发展，并可能将部分光纤技术的制造转移至CMOS foundry。

六、其他价值

文章指出，锗硅酸盐的光敏性允许通过紫外写入制作光栅，为在光子系统中实现类似光纤布拉格光栅的应用奠定了基础。尽管较低的折射率对比度可能导致弯曲损耗较大、限制集成密度，但可以通过3D集成、增加Ge掺杂浓度或在更短波长工作等方式来缓解。此外，虽然二氧化硅的非线性系数较低，但利用其超高Q值（非线性效应与Q的二次方或三次方相关）可以轻易补偿这一不足。电光调谐则可通过与铌酸锂或钽酸锂异质集成来实现。文章展望，随着沉积和制造技术的进一步发展，Ge-硅酸盐PIC有望达到其材料极限的损耗水平（0.2 dB/km，对应Q因子超过1000亿），这将真正实现芯片上的“光纤级”光学损耗，从而在多个领域引发革命性变化。