科学家们意外地创造了一个微小的“彩虹芯片”，可以增强互联效率

信息来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251007081823.htm

人工智能时代的数据洪流正在冲击现有的计算基础设施极限，而解决方案可能就藏在一块不起眼的硅芯片中。哥伦比亚大学工程与应用科学学院的研究人员在一次意外发现中创造了革命性的"彩虹芯片"，能够将单个激光器转换成包含数十个独立光通道的频率梳，这一突破有望显著提升数据中心效率，并推动量子技术和激光雷达等领域的重大进步。

这项发表在《自然光子学》期刊上的研究源于一个看似简单的工程挑战：如何在激光雷达项目中产生更亮的光束。然而，当研究团队向芯片输入越来越多功率时，意外观察到了频率梳的形成——这种特殊的光学现象包含多种颜色，按有序模式排列，就像一道微观彩虹。更重要的是，这些不同颜色的光互不干扰，每个"齿"都可以作为独立的数据传输通道。

传统上，创建强大的频率梳需要大型昂贵的激光器和放大器设备，而哥伦比亚大学团队的创新在于将这一复杂过程压缩到单个芯片上。电气工程与应用物理学教授米哈尔·利普森表示："这项研究标志着我们推进硅光子学使命的又一个里程碑。随着这项技术对关键基础设施和日常生活越来越重要，确保数据中心尽可能高效运行至关重要。"

从"嘈杂"激光到精密光源的技术突破

研究团队面临的核心挑战是如何驾驭多模激光二极管的强大功率。这类激光器广泛应用于医疗设备和激光切割工具，能够产生大量光输出，但光束质量"凌乱"，难以满足精密应用需求。将这种激光器集成到光路仅有几微米宽的硅光子芯片中，需要精密的工程设计。

前博士后研究员、现任Xscape Photonics首席工程师的安德烈斯·吉尔-莫利纳解释了解决方案的核心："我们使用锁定机制来净化这个强大但非常嘈杂的光源。该方法依靠硅光子学重塑和清理激光器输出，产生更干净、更稳定的高相干性光束。"

一旦光被净化，芯片的非线性光学特性便开始发挥作用，将单个强大光束分解成数十种均匀分布的颜色，形成频率梳的标志性特征。这一过程实现了工业激光器原始功率与高级通信传感所需精度稳定性的完美结合。

技术实现的关键在于硅光子学平台的成熟应用。硅作为半导体工业的基础材料，在光子学应用中展现出独特优势：它不仅透明度高，更重要的是具备强非线性光学效应。当高功率光脉冲在硅波导中传播时，会产生丰富的非线性现象，包括四波混频、受激布里渊散射等效应，这些正是生成宽带频率梳的物理基础。

波分复用技术的芯片化革命

该示意图显示了高功率微梳源中的衍射元件，以光谱方式分隔梳线。图片来源：Michal Lipson 实验室

这一突破的商业价值体现在对波分复用技术的革新上。波分复用是1990年代后期将互联网转变为全球高速网络的核心技术，其原理是让不同波长的光信号在同一根光纤中并行传输，大幅增加传输容量。

目前最先进的数据中心已开始使用光纤链路传输数据，但大多数仍依赖单波长激光器。频率梳技术允许数十个光束通过同一根光纤并联传输，而非单一光束承载单一数据流。这种并行传输能力对于应对人工智能时代的数据处理需求至关重要。

据行业分析，现代AI训练任务中处理器与内存之间的数据交换已成为性能瓶颈。传统电子互连的带宽和功耗限制使得光学互连成为必然选择。然而，现有光学解决方案的成本和复杂性限制了其广泛应用。哥伦比亚大学团队的芯片级频率梳技术有望打破这一局面。

吉尔-莫利纳指出："数据中心对包含多种波长的强大高效光源产生了巨大需求。我们开发的技术将非常强大的激光器转化为芯片上数十个干净的高功率通道。这意味着可以用一个紧凑设备取代整个激光器机架，从而降低成本、节省空间，为更快更节能的系统开启大门。"

多领域应用前景广阔

除了数据中心应用，这种芯片级频率梳技术在多个前沿领域都展现出巨大潜力。在量子技术领域，频率梳是产生纠缠光子对的重要工具，对量子通信和量子计算具有重要意义。传统的量子光源通常体积庞大且需要复杂的稳定系统，芯片化的频率梳有望实现便携式量子设备。

激光雷达技术同样将从中受益。现代自动驾驶汽车和机器人系统需要高精度的距离测量能力，而传统激光雷达系统的成本和尺寸限制了其普及应用。芯片级频率梳能够提供多波长相干光源，实现更高精度的测距，同时显著降低系统复杂性。

在精密测量领域，光学时钟是当前最精确的时间标准，其精度已达到10的负19次方秒。这些超精密时钟不仅用于基础科学研究，还是全球定位系统和金融交易时间戳的基础。芯片化的频率梳技术有望使光学时钟小型化，扩展其应用范围。

光谱学应用也将迎来革命性变化。传统的高分辨率光谱仪通常需要复杂的光学系统和精密的机械结构，而频率梳提供的多波长相干光源能够实现便携式高精度光谱分析。这对环境监测、医疗诊断和工业检测等领域具有重要意义。

产业化挑战与前景

尽管技术突破令人兴奋，但从实验室到商业化应用仍面临诸多挑战。首先是制造工艺的标准化问题。硅光子学虽然可以利用成熟的半导体制造工艺，但频率梳器件对工艺精度的要求极高，需要在波导几何结构、材料纯度和表面粗糙度等方面达到严格标准。

其次是系统集成的复杂性。一个完整的光通信系统不仅需要光源，还需要调制器、探测器、放大器等多种光学元件。如何在单一芯片上集成这些功能，同时保持各组件的最优性能，是一个重大技术挑战。

功耗和散热也是需要考虑的关键因素。高功率激光器会产生大量热量，而频率梳的稳定性对温度波动极为敏感。在紧凑的芯片环境中管理热量分布，确保器件长期稳定运行，需要精密的热管理设计。

产业界对这一技术的响应已经开始显现。多家光子学公司正在评估芯片级频率梳的商业化潜力，而数据中心运营商也在关注这一技术对降低运营成本和提升性能的影响。根据市场分析机构预测，硅光子学市场预计将在未来五年内实现快速增长，芯片级频率梳技术将是其中的重要推动力。

这项研究的成功不仅代表了光子学技术的重大进步，更预示着信息技术基础设施即将迎来新一轮革命。从实验室的意外发现到可能改变互联网基础设施的核心技术，科学研究的魅力正在于此——最重要的突破往往来自最不经意的观察。