在微型芯片上造出“彩虹激光”

几年前，Michal Lipson实验室的研究人员偶然发现了一个意外现象。当时他们正致力于改进LiDAR技术——利用光波测量距离的技术需要能产生更明亮、更强光束的芯片。“当我们给芯片输入越来越强的能量时，注意到它正在产生所谓的频率梳。”实验室的前博士后研究员Andres Gil-Molina解释道。

频率梳是一种特殊的光形态，由多种精确等距排列的色光组成，类似彩虹的光谱结构。每种色光（即光频）都呈现明亮状态，且被暗区间隔。在光谱仪上观察时，这些明亮光频会显示出类似梳齿的尖锐峰谷。这种特殊结构使其能同时传输多路信息——由于各色光之间不会相互干扰，每根“梳齿”都能作为独立的数据通道运作。

该示意图展示了高功率微梳光源中的衍射元件对梳状谱线进行光谱分离的过程

从巨型激光器到单芯片的飞跃
迄今为止，要产生强频率梳仍需依赖体积庞大、价格昂贵的激光器与放大器。在发表于《自然-光子学》的新研究中，电子工程系尤金·希金斯教授兼应用物理学教授Lipson与团队成员展示了如何在单一微型芯片上实现同等效果。

“数据中心对包含多波长的强效光源产生了巨大需求，”现任Xscape Photonics首席工程师的Gil-Molina指出，“我们研发的技术能将高功率激光器转化为芯片上数十个纯净的高能级通道。这意味着可用单一紧凑设备取代整排的独立激光器，从而降低成本、节约空间，并为构建更快速、更节能的系统开辟道路。”

“这项研究为我们推进硅基光电子技术的使命树立了新的里程碑，”Lipson强调，“随着该技术在关键基础设施及日常生活中日益重要，此类突破对确保数据中心实现极致效率至关重要。”

净化混沌光束的突破
这项突破始于一个简单的问题：能在芯片上集成多大功率的激光器？研究团队选择了一种广泛应用于医疗设备和激光切割工具的多模激光二极管。这类激光器虽能产生极强的光输出，但其光束呈现“混沌”特性，难以满足高精度应用需求。

该论文合著者Alexander Gaeta（左）与Michal Lipson在哥伦比亚大学盖塔实验室的合影。Gaeta现任应用物理与材料科学系大卫·M·里基讲席教授及电子工程系教授，Lipson为电子工程系尤金·希金斯讲席教授兼应用物理系教授

从混沌到有序的突破
要将这种激光器集成到光路宽度仅数微米（甚至数百纳米）的硅基光芯片上，需要精密的工程设计。

“我们采用锁模机制来净化这种强功率但高噪声的光源。”Gil-Molina解释道。该技术利用硅基光电子特性对激光输出进行重塑与净化，从而产生更纯净、更稳定的光束——这一特性被科学家称为高相干性。

经过净化的光波在芯片非线性光学特性作用下，会将单一强光束分裂成数十个等间距的色光——这正是频率梳的标志性特征。最终形成的紧凑型高效光源，既具备工业级激光器的强功率，又兼具先进通信与传感应用所需的高精度和稳定性。

技术突破的现实意义
这项突破的时机并非偶然。随着人工智能的爆炸式增长，数据中心内部基础设施（如处理器与存储器之间的数据传输）正面临传输速度的极限挑战。目前最先进的数据中心虽已采用光纤链路传输数据，但多数仍依赖单波长激光器。

频率梳的诞生彻底改变了这一局面。通过波分复用技术——这项在1990年代末催生全球高速互联网的关键技术——同一根光纤中可并行传输数十道光束，取代传统单光束单数据流的传输模式。

Lipson团队通过将高功率多波长频率梳微型化至芯片级别，使该技术得以集成到现代计算系统中最紧凑、成本最敏感的组件中。除数据中心外，该芯片还可推动便携式光谱仪、超高精度光钟、微型量子设备乃至先进激光雷达系统的发展。

高能光源的未来图景
Gil-Molina对此展望道：这项突破意味着将实验室级光源融入现实设备。若能实现功率、效能与体积的完美平衡，未来这种光源将可植入任意场景。