幾年前，Michal Lipson實(shí)驗(yàn)室的研究人員偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意外現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)他們正致力于改進(jìn)LiDAR技術(shù)——利用光波測量距離的技術(shù)需要能產(chǎn)生更明亮、更強(qiáng)光束的芯片。“當(dāng)我們給芯片輸入越來越強(qiáng)的能量時(shí)，注意到它正在產(chǎn)生所謂的頻率梳。”實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)。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(shí)，這些明亮光頻會(huì)顯示出類似梳齒的尖銳峰谷。這種特殊結(jié)構(gòu)使其能同時(shí)傳輸多路信息——由于各色光之間不會(huì)相互干擾，每根“梳齒”都能作為獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道運(yùn)作。

該示意圖展示了高功率微梳光源中的衍射元件對(duì)梳狀譜線進(jìn)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(qiáng)頻率梳仍需依賴體積龐大、價(jià)格昂貴的激光器與放大器。在發(fā)表于《自然-光子學(xué)》的新研究中，電子工程系尤金·希金斯教授兼應(yīng)用物理學(xué)教授Lipson與團(tuán)隊(duì)成員展示了如何在單一微型芯片上實(shí)現(xiàn)同等效果。

“數(shù)據(jù)中心對(duì)包含多波長的強(qiáng)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(shù)能將高功率激光器轉(zhuǎn)化為芯片上數(shù)十個(gè)純凈的高能級(jí)通道。這意味著可用單一緊湊設(shè)備取代整排的獨(dú)立激光器，從而降低成本、節(jié)約空間，并為構(gòu)建更快速、更節(jié)能的系統(tǒng)開辟道路。”

“這項(xiàng)研究為我們推進(jìn)硅基光電子技術(shù)的使命樹立了新的里程碑，”Lipson強(qiáng)調(diào)，“隨著該技術(shù)在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及日常生活中日益重要，此類突破對(duì)確保數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)極致效率至關(guān)重要。”

凈化混沌光束的突破
這項(xiàng)突破始于一個(gè)簡單的問題：能在芯片上集成多大功率的激光器？研究團(tuán)隊(duì)選擇了一種廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)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(qiáng)的光輸出，但其光束呈現(xiàn)“混沌”特性，難以滿足高精度應(yīng)用需求。

該論文合著者Alexander Gaeta（左）與Michal Lipson在哥倫比亞大學(xué)蓋塔實(shí)驗(yàn)室的合影。Gaeta現(xiàn)任應(yīng)用物理與材料科學(xué)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(yīng)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(shè)計(jì)。

“我們采用鎖模機(jī)制來凈化這種強(qiáng)功率但高噪聲的光源。”Gil-Molina解釋道。該技術(shù)利用硅基光電子特性對(duì)激光輸出進(jìn)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(xué)家稱為高相干性。

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

技術(shù)突破的現(xiàn)實(shí)意義
這項(xiàng)突破的時(shí)機(jī)并非偶然。隨著人工智能的爆炸式增長，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施（如處理器與存儲(chǔ)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(jìn)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(fù)用技術(shù)——這項(xiàng)在1990年代末催生全球高速互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)——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(tuán)隊(duì)通過將高功率多波長頻率梳微型化至芯片級(jí)別，使該技術(shù)得以集成到現(xiàn)代計(jì)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(dòng)便攜式光譜儀、超高精度光鐘、微型量子設(shè)備乃至先進(jìn)激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展。

高能光源的未來圖景
Gil-Molina對(duì)此展望道：這項(xiàng)突破意味著將實(shí)驗(yàn)室級(jí)光源融入現(xiàn)實(shí)設(shè)備。若能實(shí)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。