據(jù)中國(guó)激光雜志社網(wǎng)，于2025年10月28日?qǐng)?bào)道，在單一芯片上集成一個(gè)強(qiáng)大而高效的多波長(zhǎng)光源，是邁向下一代人工智能和高速通信的關(guān)鍵一步。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的研究人員正將這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。近日，Michal Lipson教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一種緊湊而強(qiáng)大的“頻率梳”，成功將原本大型、昂貴設(shè)備才能產(chǎn)生的光源，集成至單一硅光子芯片上。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Photonics上。
這項(xiàng)突破的起點(diǎn)，源于幾年前一個(gè)出人意料的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)正致力于改進(jìn)激光雷達(dá)，并為之設(shè)計(jì)能產(chǎn)生更亮光束的高功率芯片。時(shí)任該團(tuán)隊(duì)博士后研究人員的Andres Gil-Molina解釋道：“當(dāng)我們向芯片輸送越來(lái)越高的功率時(shí)，發(fā)現(xiàn)它產(chǎn)生了一種被稱為‘頻率梳’的現(xiàn)象。”
頻率梳是一種特殊的光譜，其形態(tài)包含了眾多按有序模式排列的顏色，結(jié)構(gòu)類似于彩虹。數(shù)十種顏色（即光頻）會(huì)明亮地顯現(xiàn)，而它們之間的間隙則保持黑暗。在頻譜圖上觀察時(shí)，這些明亮的頻率會(huì)呈現(xiàn)為尖峰，形似梳齒。這一特性為同時(shí)傳輸數(shù)十條數(shù)據(jù)流提供了巨大機(jī)遇，因?yàn)椴煌伾墓獠粫?huì)相互干擾，每一根“梳齒”都能作為一個(gè)獨(dú)立的信道。
Gil-Molina表示：“數(shù)據(jù)中心對(duì)包含多種波長(zhǎng)的強(qiáng)大高效光源有著巨大需求。我們研發(fā)的技術(shù)能將單個(gè)強(qiáng)激光器在芯片上轉(zhuǎn)化為數(shù)十個(gè)純凈的高功率信道。這意味著可以用一個(gè)緊湊的設(shè)備來(lái)取代一系列獨(dú)立的激光器，從而降低成本、節(jié)省空間，為構(gòu)建更快速、更節(jié)能的系統(tǒng)鋪平道路。”
Michal Lipson表示：“這項(xiàng)研究標(biāo)志著我們?cè)谕苿?dòng)硅光子學(xué)發(fā)展的征程中又樹(shù)立了一座里程碑。隨著這項(xiàng)技術(shù)日益成為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和日常生活的核心，此類突破對(duì)于確保數(shù)據(jù)中心以最高效率運(yùn)行至關(guān)重要。”
清理雜亂的光束：從混沌到有序
這項(xiàng)突破源于一個(gè)基本問(wèn)題：我們究竟能在芯片上集成多大功率的激光？團(tuán)隊(duì)選擇了多模激光二極管，這類激光器因其能產(chǎn)生巨大的光功率，而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備和激光切割工具等領(lǐng)域。然而，它們產(chǎn)生的光束“雜亂無(wú)章”，難以用于精密的傳感或通信應(yīng)用。
將這種激光器集成到硅光子芯片上，是一項(xiàng)精密的工程挑戰(zhàn)。Gil-Molina 解釋道：“我們采用了一種鎖定機(jī)制來(lái)凈化這種強(qiáng)勁但充滿噪聲的光源。”該方法利用硅光子技術(shù)重塑并提純激光輸出，從而生成一種科學(xué)家稱之為“高相干性”的、更為純凈穩(wěn)定的光束。
光束被凈化后，芯片的非線性光學(xué)特性便開(kāi)始發(fā)揮作用，將這束單一的強(qiáng)光分解成數(shù)十種等間距的顏色，這正是頻率梳的核心特征。最終，該技術(shù)打造出一種緊湊高效的光源，它既具備工業(yè)激光器的原始功率，又能滿足先進(jìn)通信與傳感技術(shù)所需的精確度和穩(wěn)定性。
賦能AI未來(lái)：光子芯片的時(shí)代機(jī)遇
這項(xiàng)突破恰逢其時(shí)。隨著人工智能的爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施正急需跟上日益增長(zhǎng)的信息傳輸速度需求，尤其是在處理器與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)方面。盡管先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心已采用光纖鏈路傳輸數(shù)據(jù)，但其中大多數(shù)仍依賴單波長(zhǎng)激光器。
頻率梳技術(shù)則有望改變這一局面。它不再是單一光束傳輸單一數(shù)據(jù)流，而是讓數(shù)十束光可以經(jīng)由同一根光纖并行傳輸。這正是波分復(fù)用技術(shù)（WDM）的核心原理，該技術(shù)曾在20世紀(jì)90年代末推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)向全球高速網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)型。
Michal Lipson團(tuán)隊(duì)成功將高功率的多波長(zhǎng)頻率梳縮小到可直接集成在芯片上的尺寸，從而使得這項(xiàng)技術(shù)能夠應(yīng)用于現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)中那些對(duì)空間和成本要求最為嚴(yán)苛的組件。除了數(shù)據(jù)中心，這類芯片還有望推動(dòng)便攜式光譜儀、超精密光鐘、緊湊型量子設(shè)備乃至先進(jìn)激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展。
Gil-Molina表示：“這項(xiàng)工作的核心意義在于將實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的光源帶入真實(shí)世界的設(shè)備中。只要能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率、高效率和足夠小的尺寸，它的應(yīng)用潛力將無(wú)處不在。”
這項(xiàng)在單芯片上實(shí)現(xiàn)高功率、高相干性光源的突破性研究，正是單頻激光領(lǐng)域前沿探索的杰出范例。為進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的技術(shù)交流與創(chuàng)新，《中國(guó)激光》計(jì)劃于2026年6月推出“單頻激光技術(shù)”專題，旨在系統(tǒng)匯集我國(guó)相關(guān)研究單位最新高水平研究成果，深入探討各種介質(zhì)、各種波段、各種運(yùn)行制式的單頻激光及其應(yīng)用的研究進(jìn)展、技術(shù)瓶頸和發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步提高我國(guó)單頻激光技術(shù)領(lǐng)域的研究水平和應(yīng)用效能。
征稿范圍（包括但不限于以下相關(guān)方向）
單頻激光產(chǎn)生的新體制、新機(jī)理；單頻激光關(guān)鍵材料與器件；高性能單頻激光器；特種波長(zhǎng)單頻激光器；高功率/能量單頻激光器；單頻激光參數(shù)精密測(cè)量技術(shù)；單頻激光光場(chǎng)調(diào)控；單頻激光典型應(yīng)用。
截稿日期
2026年1月31日
出版時(shí)間
2026年第11期（6月）
投稿方式及格式
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