科学家意外在微芯片上创造出“彩虹激光”

日前，美国哥伦比亚大学的研究人员在开发激光雷达（LiDAR）技术过程中，意外发现了一种能够在单一芯片上产生多色激光的新方法。这项创新有望革新数据中心和通信领域，为其带来更快速、更清洁、高效的光源。

几年前，Michal Lipson实验室的科研团队在寻求改进LiDAR时，着力设计可以产生更强光束的高性能芯片。前博士后研究员 Andres Gil-Molina表示：“当我们不断加大芯片的输出功率时，注意到它正在生成所谓的‘频率梳’。”所谓频率梳，是一种由众多不同颜色（光的频率）组成的特殊光束，这些颜色以严格规律、等距离排列，类似于彩虹的构成。在频谱图上，每种颜色作为一个独立且明亮的“齿”，彼此间由暗区隔开，这使得可以同时传输多份信息，每个“齿”即为独立数据通道。

此前，要产生强大的频率梳，往往需要体积庞大且昂贵的激光器和放大器。而最新研究发现，同样的效果已可在微型芯片内实现。研究负责人、哥伦比亚大学电气工程与应用物理教授Lipson表示：“数据中心对于包含众多波长的强大高效光源有着巨大需求。我们开发的技术，能将一种强激光转化为数十个高质量信号通道，只需一枚芯片即可替代原本成排的独立激光装置，不仅节省空间和成本，还能大幅提升系统的速度和能效。”

Lipson补充：“推动硅光子技术发展一直是我们的使命。随着这一技术日益融入核心基础设施和日常生活，这类突破对保障数据中心高效运作至关重要。”

突破点源于一个简单问题：我们能在芯片上装载多强大的激光器？团队选用了广泛应用于医疗设备和激光切割等领域的多模激光二极管。这种激光器能释放巨大光能，但光束状态十分“杂乱”，难以用于精密场景。为此，研究人员引入了一项“锁定机制”，利用硅光子技术净化光束输出，使其更纯净稳定，科学上称之为“高相干性”。

随后，芯片的非线性光学特性发挥作用，将单一道强激光分裂为数十种等距排列的颜色，形成高效紧凑的频率梳光源，兼具工业激光的强度与高端通信和传感所需的精确稳定性。

随着人工智能等领域爆发式增长，数据中心内部信息传递愈发迫切。虽然当前数据传输已普遍采用光纤，但仍以单一波长激光为主。而频率梳带来的多通道并行传输能力，可使同一根光纤内同步处理几十条数据流，从而大幅提升传输效率和速度，为高速网络与现代计算系统注入新动力。这项新技术不仅有望推动数据中心“小型化”和“高效化”，还可应用于便携式光谱仪、光学时钟、量子器件以及先进LiDAR系统等领域。

研究团队表示，“这项技术正是要将实验室级的高性能光源带入实际设备。如果足够强大、高效且小巧，将能适用于几乎各种场景。”

编译自/ScitechDaily