據中國激光雜志社網，于2025年10月28日報道，在單一芯片上集成一個強大而高效的多波長光源，是邁向下一代人工智能和高速通信的關鍵一步。美國哥倫比亞大學的研究人員正將這一愿景變為現實。近日，Michal Lipson教授領導的研究團隊創造出一種緊湊而強大的“頻率梳”，成功將原本大型、昂貴設備才能產生的光源，集成至單一硅光子芯片上。相關研究成果發表在Nature Photonics上。
這項突破的起點，源于幾年前一個出人意料的現象。當時，該研究團隊正致力于改進激光雷達，并為之設計能產生更亮光束的高功率芯片。時任該團隊博士后研究人員的Andres Gil-Molina解釋道：“當我們向芯片輸送越來越高的功率時，發現它產生了一種被稱為‘頻率梳’的現象。”
頻率梳是一種特殊的光譜，其形態包含了眾多按有序模式排列的顏色，結構類似于彩虹。數十種顏色（即光頻）會明亮地顯現，而它們之間的間隙則保持黑暗。在頻譜圖上觀察時，這些明亮的頻率會呈現為尖峰，形似梳齒。這一特性為同時傳輸數十條數據流提供了巨大機遇，因為不同顏色的光不會相互干擾，每一根“梳齒”都能作為一個獨立的信道。
Gil-Molina表示：“數據中心對包含多種波長的強大高效光源有著巨大需求。我們研發的技術能將單個強激光器在芯片上轉化為數十個純凈的高功率信道。這意味著可以用一個緊湊的設備來取代一系列獨立的激光器，從而降低成本、節省空間，為構建更快速、更節能的系統鋪平道路。”
Michal Lipson表示：“這項研究標志著我們在推動硅光子學發展的征程中又樹立了一座里程碑。隨著這項技術日益成為關鍵基礎設施和日常生活的核心，此類突破對于確保數據中心以最高效率運行至關重要。”
清理雜亂的光束：從混沌到有序
這項突破源于一個基本問題：我們究竟能在芯片上集成多大功率的激光？團隊選擇了多模激光二極管，這類激光器因其能產生巨大的光功率，而被廣泛應用于醫療設備和激光切割工具等領域。然而，它們產生的光束“雜亂無章”，難以用于精密的傳感或通信應用。
將這種激光器集成到硅光子芯片上，是一項精密的工程挑戰。Gil-Molina 解釋道：“我們采用了一種鎖定機制來凈化這種強勁但充滿噪聲的光源。”該方法利用硅光子技術重塑并提純激光輸出，從而生成一種科學家稱之為“高相干性”的、更為純凈穩定的光束。
光束被凈化后，芯片的非線性光學特性便開始發揮作用，將這束單一的強光分解成數十種等間距的顏色，這正是頻率梳的核心特征。最終，該技術打造出一種緊湊高效的光源，它既具備工業激光器的原始功率，又能滿足先進通信與傳感技術所需的精確度和穩定性。
賦能AI未來：光子芯片的時代機遇
這項突破恰逢其時。隨著人工智能的爆發式增長，數據中心的基礎設施正急需跟上日益增長的信息傳輸速度需求，尤其是在處理器與內存之間的數據流動方面。盡管先進的數據中心已采用光纖鏈路傳輸數據，但其中大多數仍依賴單波長激光器。
頻率梳技術則有望改變這一局面。它不再是單一光束傳輸單一數據流，而是讓數十束光可以經由同一根光纖并行傳輸。這正是波分復用技術（WDM）的核心原理，該技術曾在20世紀90年代末推動了互聯網向全球高速網絡的轉型。
Michal Lipson團隊成功將高功率的多波長頻率梳縮小到可直接集成在芯片上的尺寸，從而使得這項技術能夠應用于現代計算系統中那些對空間和成本要求最為嚴苛的組件。除了數據中心，這類芯片還有望推動便攜式光譜儀、超精密光鐘、緊湊型量子設備乃至先進激光雷達系統的發展。
Gil-Molina表示：“這項工作的核心意義在于將實驗室級別的光源帶入真實世界的設備中。只要能同時實現高功率、高效率和足夠小的尺寸，它的應用潛力將無處不在。”
這項在單芯片上實現高功率、高相干性光源的突破性研究，正是單頻激光領域前沿探索的杰出范例。為進一步推動該領域的技術交流與創新，《中國激光》計劃于2026年6月推出“單頻激光技術”專題，旨在系統匯集我國相關研究單位最新高水平研究成果，深入探討各種介質、各種波段、各種運行制式的單頻激光及其應用的研究進展、技術瓶頸和發展趨勢，進一步提高我國單頻激光技術領域的研究水平和應用效能。
征稿范圍（包括但不限于以下相關方向）
單頻激光產生的新體制、新機理；單頻激光關鍵材料與器件；高性能單頻激光器；特種波長單頻激光器；高功率/能量單頻激光器；單頻激光參數精密測量技術；單頻激光光場調控；單頻激光典型應用。
截稿日期
2026年1月31日
出版時間
2026年第11期（6月）
投稿方式及格式
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