微型芯片助力彩虹激光，未来计算能力迎来新突破

对更快、更高效的数据系统的竞争正处于关键时刻。随着人工智能推动全球数据需求激增，连先进的光纤网络也难以跟上。目前，大多数数据中心仍依赖单波长激光，这就意味着每根光纤只能传输一条数据流。

为了更快地传输数据，工程师们需要能够同时通过同一根光纤发送多个数据流的光源。这正是哥伦比亚大学的研究人员目前所取得的成果。

在米哈尔·利普森的带领下，该团队开发了一种能够生成强大“频率梳”的芯片，这种芯片由数十个均匀间隔的波长组成。

几年前，利普森的团队在努力改进激光雷达技术时，偶然发现了一种意想不到的现象。当他们测试设计用于产生更亮光束的高功率芯片时，发生了一些令人惊讶的事情。

“当我们通过芯片传输越来越多的功率时，我们注意到它产生了我们所称的频率梳，”安德烈斯·吉尔-莫利纳说，他曾是利普森实验室的博士后研究员。

频率梳光是一种包含许多不同颜色的光，每种颜色之间的间隔都非常精确。每种颜色或频率都可以携带自己的信息流，使得数十个信号能够并行传输而不互相干扰。

直到现在，产生这种光仍然需要笨重且昂贵的激光系统。

“我们开发的技术把一束非常强大的激光转化为芯片上的数十个干净、高功率的通道，”现任Xscape Photonics首席工程师的Gil-Molina说。

“这意味着你可以用一个小巧的设备替代一整排单独的激光器，从而降低成本，节省空间，并为更快、更节能的系统铺平道路。”

“这项研究标志着我们推动硅光子学的发展又一个里程碑，”Lipson说。“随着这项技术在关键基础设施和日常生活中变得愈发重要，这种进展对于确保数据中心尽可能高效至关重要。”

清理混乱的光

该项目始于一个简单的问题——什么是能放在芯片上的最强激光？

团队选择了一种多模激光二极管，这种激光二极管广泛应用于医疗和工业设备。这些激光可以产生大量的光，但其光束往往不稳定，难以控制。

将这样一个混乱的光源集成到硅光子学芯片中需要精细的工程设计。“我们使用了一种叫做锁定机制的技术来净化这个强大但非常嘈杂的光源，”Gil-Molina解释说。

该方法过滤并重塑光束，使输出更加清晰稳定，这个特性叫做高相干度。

一旦光线稳定，芯片的光学特性自然将其分裂成均匀间隔的颜色，形成频率梳状光谱。其结果是一个紧凑、高效且高功率的光源，兼具工业强度和科学精度。

人工智能及其未来的及时飞跃

这个突破在计算和通信的关键时刻出现。随着人工智能系统越来越大，数据中心在处理器和内存之间快速传输信息时遇到困难。

频率梳可以让多个数据通道同时通过一根光纤，从而改变这一现状。

通过将这项技术微型化，Lipson的团队创造了一种可以重塑数据在最先进计算系统中流动的方式。这项芯片技术还可以用于紧凑型光谱仪、量子设备、光学钟以及下一代 激光雷达 系统。

“这就是把实验室级别的光源应用到现实设备中的意义，”Gil-Molina说。“如果你能让它们既强大又高效，还足够小，那就几乎可以把它们放在任何地方。”

这项研究发表在期刊 自然光子学 上。