微型芯片解锁“彩虹激光”，有望大幅提升现代计算性能

在米哈尔·利普森的实验室里，一项发现催生了一种能够净化杂乱激光，并将其分裂成多个精确频率的芯片。

对更快、更高效数据系统的追求正达到一个临界点。随着人工智能推动全球数据需求激增，即便是先进的光纤网络也难以跟上。如今，大多数数据中心仍依赖单波长激光器，这意味着每根光纤只能传输一个数据流。

为了获得更快的速度，工程师们需要能在同一根光纤中同时传输多个数据流的光源。这正是哥伦比亚大学的研究人员如今取得的成就。

在米哈尔·利普森的领导下，该团队开发出一种能够产生强大"频率梳"的芯片。频率梳是一种特殊的光源，由数十个等间距的波长组成。

几年前，利普森的团队在致力于改进激光雷达技术时，偶然发现了一个意想不到的现象。当时他们正在测试旨在产生更亮光束的高功率芯片，这时发生了令人惊讶的事情。

"当我们向芯片输入越来越多的功率时，我们注意到它正在产生我们称之为频率梳的东西，"利普森实验室的前博士后研究员安德烈斯·吉尔-莫利纳说。

频率梳是一种包含许多不同颜色的光，每种颜色都精确地间隔开来。每种颜色（或称频率）都可以承载自己的信息流，使得数十个信号能够并行传输而互不干扰。

迄今为止，产生这种光需要庞大且昂贵的激光系统。

"我们开发的技术将一个功率非常强大的激光器，在芯片上转变成了数十个洁净、高功率的通道，"现任 Xscape Photonics 公司首席工程师的吉尔-莫利纳说。"这意味着你可以用一个紧凑的设备取代整架的独立激光器，从而降低成本、节省空间，并为实现更快、更节能的系统打开大门。"

"这项研究标志着我们在推进硅光子学使命中又迈出了重要的一步，"利普森说。"随着该技术在关键基础设施和我们的日常生活中变得日益重要，此类进展对于确保数据中心尽可能高效至关重要。"

净化混沌之光

该项目始于一个直接的问题 —— 能集成到芯片上的最强大的激光器是什么？

团队选择了一种广泛应用于医疗和工业设备的多模激光二极管。这些激光器能产生大量的光，但其光束通常不稳定且难以控制。

将如此杂乱的光源集成到硅光子芯片中需要精心的工程设计。"我们使用了一种叫做锁定机制的装置来净化这种强大但噪声非常大的光源，"吉尔-莫利纳解释道。该方法对光束进行滤波和整形，使其输出更洁净、更稳定，这种特性被称为高相干性。

一旦光被稳定下来，芯片的光学特性会自然地将其分裂成等间距的颜色，从而形成频率梳。其结果是产生了一种紧凑、高效且高功率的光源，它将工业级强度与科学级精度结合在一起。

应对人工智能及未来需求的适时飞跃

这一突破正值计算和通信发展的关键时刻。随着人工智能系统规模日益庞大，数据中心在处理器和内存之间快速传输信息方面面临困难。

频率梳可以通过允许许多数据通道通过单根光纤同时运行来改变这一现状。

通过将该技术微型化，利普森的团队创造出了一种可能重塑最先进计算系统内部数据传输方式的产品。同样的芯片技术也可用于紧凑型光谱仪、量子设备、光学时钟和下一代激光雷达系统。

"这是关于将实验室级的光源带入现实世界的设备中，"吉尔-莫利纳说。"如果你能让它们足够强大、高效和小型化，你几乎可以把它们放在任何地方。"

这项研究发表在《自然·光子学》杂志上。

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