摘要：“当我们向芯片输入越来越多的功率时，发现它产生了一种我们称之为‘频率梳’的东西。”利普森实验室前博士后研究员安德烈斯・希尔-莫利纳（Andres Gil-Molina）表示。

几年前，米哈尔・利普森（Michal Lipson）实验室的研究人员发现了一个值得关注的现象。

当时他们正在开展一项旨在改进激光雷达（LiDAR）的研究——激光雷达是一种利用光波测量距离的技术。该实验室正设计能发出更亮光束的高功率芯片。

“当我们向芯片输入越来越多的功率时，发现它产生了一种我们称之为‘频率梳’的东西。”利普森实验室前博士后研究员安德烈斯・希尔-莫利纳（Andres Gil-Molina）表示。

频率梳是一种特殊的光，包含多种颜色，这些颜色按有序规律排列，有点像彩虹。数十种颜色（即光的不同频率）明亮发光，而颜色之间的间隙则保持黑暗。当你在光谱图上观察频率梳时，这些明亮的频率会呈现为尖峰，就像梳子上的齿。这一特性为同时传输数十路数据流提供了巨大可能：由于不同颜色的光不会相互干扰，每一个“梳齿”都能充当独立的传输通道。

如今，制造高功率频率梳需要大型且昂贵的激光器和放大器。而在《自然・光子学》（Nature Photonics）期刊发表的新论文中，电气工程尤金・希金斯教授、应用物理学教授利普森及其合作者，展示了如何在单块芯片上实现同样的效果。

“数据中心对‘包含多种波长、高功率且高效的光源’需求巨大。”现担任Xscape Photonics公司首席工程师的希尔-莫利纳说，“我们研发的技术能将一台高功率激光器，在芯片上转化为数十个纯净、高功率的通道。这意味着，人们可用一个紧凑型设备替代一机架一机架的独立激光器，既能降低成本、节省空间，还能为构建更快、更节能的系统打开大门。”

“这项研究是我们推进硅光子学使命的又一个里程碑。”利普森表示，“随着这项技术在关键基础设施和日常生活中的核心地位日益凸显，这类进展对确保数据中心尽可能高效至关重要。”

这一突破始于一个简单的问题：我们能在芯片上集成的最大功率激光器是什么？

研究团队选择了“多模激光二极管”——这类激光器广泛应用于医疗设备、激光切割工具等领域。它们能产生极强的光，但光束却很“杂乱”，难以用于需要高精度的场景。

要将这种激光器集成到硅光子芯片中（芯片内的光通路宽度仅几微米，甚至几百纳米），需要精细的工程设计。

“我们采用了一种名为‘锁定机制’的技术，来净化这种功率高但噪声大的光源。”希尔-莫利纳解释道。该方法借助硅光子学对激光输出进行重塑和净化，产生更纯净、更稳定的光束——科学家将这种特性称为“高相干性”。

光束净化后，芯片的非线性光学特性会发挥作用：将这束单一的高功率光束分解成数十种间距均匀的颜色——这正是频率梳的标志性特征。最终得到的是一种紧凑型高效光源：它既具备工业激光器的原始功率，又拥有先进通信和传感所需的精度与稳定性。

这一突破的出现并非偶然。随着人工智能的爆发式增长，数据中心内部的基础设施正面临“信息传输速度不足”的压力（例如在处理器与内存之间传输数据时）。目前最先进的数据中心已在使用光纤链路传输数据，但其中大部分仍依赖“单波长激光器”。

频率梳改变了这一现状。它不再是“一束光传输一路数据流”，而是能让数十束光通过同一根光纤并行传输。这正是“波分复用（WDM）”技术的核心原理——正是这项技术在20世纪90年代末将互联网打造成了全球性高速网络。

利普森团队通过将“高功率、多波长频率梳”做得足够小，使其可直接集成到芯片上，从而让现代计算系统中“体积最紧凑、对成本最敏感”的部分也能具备这种并行传输能力。除数据中心外，这类芯片还可用于制造便携式光谱仪、超高精度光学时钟、紧凑型量子设备，甚至是更先进的激光雷达系统。

“这项技术的意义在于，将实验室级别的光源融入实际应用设备中。”希尔-莫利纳说，“只要能让这些光源具备足够的功率、效率，且体积足够小，它们几乎可以应用到任何场景。”

来源：SENSORO升哲