在研发激光雷达技术的过程中，科学家们意外发现了如何从单个芯片中生成多种激光颜色。

他们的创新成果能够提供更快、更清洁且更高效的光源，从而变革数据中心与通信领域。

实验室里的意外发现

几年前，米哈尔·利普森实验室的研究人员偶然发现了一些出人意料的事情。

他们当时的工作聚焦于改进激光雷达技术——这是一种利用光波测量距离的技术。研究团队正致力于设计性能强劲的芯片，以生成亮度更高、强度更大的光束。

利普森实验室前博士后研究员安德烈斯·吉尔-莫利纳（Andres Gil-Molina）解释道：“随着我们向芯片输入的功率不断增大，我们注意到它产生了我们称之为‘频率梳’的现象。”

频率梳是一种独特的光形态，它由众多色彩各异的光线以精确且等距的序列排列而成，宛如彩虹的图案。每一种色彩，或说光的频率，都显得明亮夺目，它们之间由暗淡的间隙分隔开来。当在频谱图上观察时，这些明亮的光频会呈现出尖锐的波峰，形似梳子的齿。这种结构使得同时传输多路信息成为可能。由于不同色彩的光线互不干扰，每一“齿”都能独立作为一个数据通道发挥作用。

从巨型激光器到单一芯片

截至目前，生成高强度频梳需要借助庞大且昂贵的激光器与放大器。在发表于《自然·光子学》的一项新研究中，电气工程尤金·希金斯讲席教授、应用物理学教授利普森及其同事阐述了如何在单个微芯片内实现相同效果。

现任泽普光子科技（Xscape Photonics）首席工程师的吉尔·莫利纳（Gil-Molina）表示：“数据中心对包含多种波长、强大且高效的光源产生了巨大需求。我们研发的这项技术，能将一束高能激光转化为芯片上的数十个纯净、高功率通道。这意味着，你可以用一个紧凑型设备取代一排排独立的激光器，从而降低成本、节省空间，并为打造速度更快、能效更高的系统开辟道路。”

“这项研究标志着我们在推进硅光子学使命上又迈出了里程碑式的一步，”利普森说道。“随着这项技术日益成为关键基础设施和我们日常生活的重要组成部分，此类进展对于确保数据中心尽可能高效运行而言至关重要。”

清理杂乱光线

这一突破始于一个简单的问题：我们能在芯片上搭载的最强激光是什么？

该团队选用了一种名为多模激光二极管的器件，这种器件广泛应用于医疗设备和激光切割工具等领域。这些激光器能够产生大量光能，但其光束“杂乱无章”，难以用于精密应用。

化混沌为有序

将这样一种激光器集成到硅光子芯片中，需要对工程进行精心设计，因为该芯片中的光路仅有数微米宽，甚至窄至数百纳米。

吉尔·莫利纳（Gil-Molina）表示：“我们采用了一种名为锁定机制的装置，来净化这种能量强大却噪声颇高的光源。”该方法依托硅光子学技术，对激光输出进行重塑与净化，从而生成更为纯净、稳定的激光束，科学家将这一特性称为高相干性。

一旦光线完成净化，芯片的非线性光学特性便开始发挥作用，将那束强劲的单一光线拆解成数十种均匀分布的色彩，这便是频率梳的显著特征。最终，这一技术造就了一个紧凑且高效的光源，它既具备工业激光的强大能量，又拥有先进通信与传感技术所需的精确性与稳定性。

为何当下至关重要

这一突破的时机并非偶然。随着人工智能的爆发式增长，数据中心内部的基础设施正竭力实现信息的快速传输，例如，在处理器与内存之间。目前，最先进的数据中心已采用光纤链路传输数据，但其中多数仍依赖单波长激光器。

频率梳改变了这一局面。如今，不再是单一光束承载单一数据流，而是数十束光可并行穿过同一根光纤。这正是波分复用（WDM）技术的原理，该技术于20世纪90年代末将互联网转变为全球高速网络。

利普森的团队将大功率、多波长的光梳缩小到可直接集成于芯片上的尺寸，使得这一技术能够应用于现代计算系统中最紧凑、对成本极为敏感的部件之中。除数据中心外，同样的芯片还可助力便携式光谱仪、超精密光学时钟、紧凑型量子设备，甚至先进的激光雷达系统的研发。

强光之未来

吉尔·莫利纳（Gil-Molina）表示：“这关乎将实验室级别的光源引入现实世界的设备中。如果你能让它们足够强大、高效且小巧，那么几乎可以将它们应用到任何地方。”

参考文献：安德烈斯·吉尔-莫利纳（Andres Gil-Molina）、亚伊尔·安特曼（Yair Antman）、奥哈德·韦斯特里克（Ohad Westreich）、季幸辰（Xingchen Ji）、申敏哲（Min Chul Shin）、高朗·R·巴特（Gaurang R. Bhatt）、伊普希塔·达塔（Ipshita Datta）、金博荣（Bok Young Kim）、冈桥义友（Yoshitomo Okawachi）、亚历山大·L·盖塔（Alexander L. Gaeta）和米哈尔·利普森（Michal Lipson）所著《大功率电泵浦微梳》，发表于2025年10月7日《自然·光子学》。 DOI：10.1038/s41566-025-01769-z