幾年前，Michal Lipson實驗室的研究人員偶然發(fā)現(xiàn)了一個意外現(xiàn)象。當時他們正致力于改進LiDAR技術——利用光波測量距離的技術需要能產(chǎn)生更明亮、更強光束的芯片。“當我們給芯片輸入越來越強的能量時，注意到它正在產(chǎn)生所謂的頻率梳。”實驗室的前博士后研究員Andres Gil-Molina解釋道。

頻率梳是一種特殊的光形態(tài)，由多種精確等距排列的色光組成，類似彩虹的光譜結構。每種色光（即光頻）都呈現(xiàn)明亮狀態(tài)，且被暗區(qū)間隔。在光譜儀上觀察時，這些明亮光頻會顯示出類似梳齒的尖銳峰谷。這種特殊結構使其能同時傳輸多路信息——由于各色光之間不會相互干擾，每根“梳齒”都能作為獨立的數(shù)據(jù)通道運作。

該示意圖展示了高功率微梳光源中的衍射元件對梳狀譜線進行光譜分離的過程

從巨型激光器到單芯片的飛躍
迄今為止，要產(chǎn)生強頻率梳仍需依賴體積龐大、價格昂貴的激光器與放大器。在發(fā)表于《自然-光子學》的新研究中，電子工程系尤金·希金斯教授兼應用物理學教授Lipson與團隊成員展示了如何在單一微型芯片上實現(xiàn)同等效果。

“數(shù)據(jù)中心對包含多波長的強效光源產(chǎn)生了巨大需求，”現(xiàn)任Xscape Photonics首席工程師的Gil-Molina指出，“我們研發(fā)的技術能將高功率激光器轉化為芯片上數(shù)十個純凈的高能級通道。這意味著可用單一緊湊設備取代整排的獨立激光器，從而降低成本、節(jié)約空間，并為構建更快速、更節(jié)能的系統(tǒng)開辟道路。”

“這項研究為我們推進硅基光電子技術的使命樹立了新的里程碑，”Lipson強調，“隨著該技術在關鍵基礎設施及日常生活中日益重要，此類突破對確保數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)極致效率至關重要。”

凈化混沌光束的突破
這項突破始于一個簡單的問題：能在芯片上集成多大功率的激光器？研究團隊選擇了一種廣泛應用于醫(yī)療設備和激光切割工具的多模激光二極管。這類激光器雖能產(chǎn)生極強的光輸出，但其光束呈現(xiàn)“混沌”特性，難以滿足高精度應用需求。

該論文合著者Alexander Gaeta（左）與Michal Lipson在哥倫比亞大學蓋塔實驗室的合影。Gaeta現(xiàn)任應用物理與材料科學系大衛(wèi)·M·里基講席教授及電子工程系教授，Lipson為電子工程系尤金·希金斯講席教授兼應用物理系教授

從混沌到有序的突破
要將這種激光器集成到光路寬度僅數(shù)微米（甚至數(shù)百納米）的硅基光芯片上，需要精密的工程設計。

“我們采用鎖模機制來凈化這種強功率但高噪聲的光源。”Gil-Molina解釋道。該技術利用硅基光電子特性對激光輸出進行重塑與凈化，從而產(chǎn)生更純凈、更穩(wěn)定的光束——這一特性被科學家稱為高相干性。

經(jīng)過凈化的光波在芯片非線性光學特性作用下，會將單一強光束分裂成數(shù)十個等間距的色光——這正是頻率梳的標志性特征。最終形成的緊湊型高效光源，既具備工業(yè)級激光器的強功率，又兼具先進通信與傳感應用所需的高精度和穩(wěn)定性。

技術突破的現(xiàn)實意義
這項突破的時機并非偶然。隨著人工智能的爆炸式增長，數(shù)據(jù)中心內部基礎設施（如處理器與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸）正面臨傳輸速度的極限挑戰(zhàn)。目前最先進的數(shù)據(jù)中心雖已采用光纖鏈路傳輸數(shù)據(jù)，但多數(shù)仍依賴單波長激光器。

頻率梳的誕生徹底改變了這一局面。通過波分復用技術——這項在1990年代末催生全球高速互聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術——同一根光纖中可并行傳輸數(shù)十道光束，取代傳統(tǒng)單光束單數(shù)據(jù)流的傳輸模式。

Lipson團隊通過將高功率多波長頻率梳微型化至芯片級別，使該技術得以集成到現(xiàn)代計算系統(tǒng)中最緊湊、成本最敏感的組件中。除數(shù)據(jù)中心外，該芯片還可推動便攜式光譜儀、超高精度光鐘、微型量子設備乃至先進激光雷達系統(tǒng)的發(fā)展。

高能光源的未來圖景
Gil-Molina對此展望道：這項突破意味著將實驗室級光源融入現(xiàn)實設備。若能實現(xiàn)功率、效能與體積的完美平衡，未來這種光源將可植入任意場景。