意外的突破：“芯片上的彩虹”有望控制人工智能能耗需求

一种能产生多色激光束的新型光子芯片，或将大幅提升数据中心技术，并缓解人工智能数据需求激增带来的压力。工程师在一次实验室事故中意外研制出能发射彩虹色强激光束的芯片，该技术可帮助数据中心更高效地处理激增的人工智能数据。

这款新型光子芯片包含一个工业级激光源与一个精密设计的光学回路，该回路能在将激光分离成多个等间距色带前对其进行整形和稳定。由于每个色带代表可承载独立数据流的光学频率，该技术能使数据中心以远超光纤等现有光学网络的速率和效率传输信息。现有光学网络使用单波长激光脉冲传输数据。

产生这种被称为“光学频率梳”的彩虹效应通常需要庞大昂贵的激光器和放大器。然而研究人员在改进激光雷达技术时，偶然发现了将这种强光子技术集成到微型芯片中的方法。

激光雷达通过计算激光脉冲触及物体并返回的时间来测量距离。当研究团队试图研制能远距离捕获高精度数据的更强激光器时，他们注意到芯片正在将光线分离成多种颜色。

什么是光学频率梳？

光学频率梳是一种由在光谱中等间距分布的多种颜色（即频率）组成的激光。在光谱图上，这些频率会呈现为类似梳齿的尖峰。每个“梳齿”的峰值代表一个稳定且精确定义的波长，可独立承载信息。由于这些波长在频率和相位上保持锁定（即波峰完全对齐），彼此不会产生干扰。这使得多个数据流能通过单一光学通道（如光缆）并行传输。

在偶然发现该现象后，科学家们进一步研发出可主动可控复现该效应的技术，并将其集成到光在微米级波导中传输的硅芯片上（1微米相当于千分之一毫米，约为人发直径的百分之一）。

研究团队于10月7日在《自然·光子学》期刊发表了这项研究成果。研究人员指出，在当前人工智能对数据中心基础设施带来越来越大资源压力的背景下，这一突破尤为重要。

论文合著者、Xscape Photonics首席工程师、哥伦比亚大学工程学院前研究员安德烈斯·吉尔-莫利纳表示：“数据中心对高效多波长强光源产生巨大需求。我们开发的技术能将强激光转化为芯片上数十个纯净的高功率信道，这意味着可用单一紧凑设备取代整机架的独立激光器，从而降低成本、节约空间，并开启更快速、更节能的系统新纪元。”

芯片上的彩虹

为在芯片上制造光学频率梳，研究人员需要找到可嵌入紧凑光子回路的高功率激光器。最终他们选择了广泛应用于医疗设备和激光切割工具的多模激光二极管。

研究人员在研究中指出，多模激光二极管虽能产生强激光束，但其光束“杂乱无章”，因此需要找到提纯和稳定激光的方法。他们通过自注入锁定技术实现了这一目标 —— 该技术通过在芯片中集成谐振器，将部分光线反馈回激光器，从而过滤并稳定光线，获得既强效又高度稳定的激光束。

光线稳定后，芯片将其分离成多彩的光学频率梳。科学家们强调，最终成果是一个小巧高效的光子设备，兼具工业激光器的功率与数据传输传感应用所需的高精度。

除数据中心外，该芯片还有望用于便携式光谱仪、超高精度光学时钟、紧凑型量子设备乃至先进激光雷达系统。吉尔-莫利纳表示：“这项技术旨在将实验室级光源融入现实设备。若能实现足够强劲、高效且微型化的设计，就能将其部署到任何角落。”

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