本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自interestingengineering

新型芯片可以清理混亂的激光并將其分成多個(gè)精確的頻率。

在數(shù)字化浪潮與人工智能技術(shù)的雙重驅(qū)動(dòng)下，全球數(shù)據(jù)需求正以指數(shù)級(jí)激增，一場(chǎng)圍繞“更快、更高效數(shù)據(jù)系統(tǒng)” 的競(jìng)爭(zhēng)已進(jìn)入關(guān)鍵階段。從 AI 模型的訓(xùn)練推理到高清視頻實(shí)時(shí)傳輸，從云計(jì)算服務(wù)到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備交互，各類(lèi)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)中心的算力與傳輸能力提出了前所未有的要求。然而，當(dāng)前主流通信基礎(chǔ)設(shè)施卻面臨嚴(yán)峻瓶頸 —— 即便采用先進(jìn)光纖網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)傳輸技術(shù)也逐漸難以匹配爆發(fā)式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量，如何突破這一限制，成為全球工程師亟待解決的核心問(wèn)題。

示意圖顯示了高功率微梳源中的衍射元件分裂梳線(xiàn)。來(lái)源：哥倫比亞工程學(xué)院

這一困境的根源，在于數(shù)據(jù)中心長(zhǎng)期依賴(lài)的單波長(zhǎng)激光器技術(shù)。目前，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的光纖傳輸系統(tǒng)，每根光纖僅能通過(guò)單一波長(zhǎng)的激光承載一條數(shù)據(jù)流。在數(shù)據(jù)需求平緩的時(shí)期，這種模式尚可滿(mǎn)足基本需求；但在AI 驅(qū)動(dòng)的 “數(shù)據(jù)洪流” 面前，單通道傳輸效率低、硬件部署成本高、能耗與空間占用量大等問(wèn)題被無(wú)限放大。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸能力的跨越式提升，關(guān)鍵在于研發(fā)能讓單根光纖同時(shí)承載多條光流的新型光源技術(shù)。

就在這一技術(shù)困局的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，哥倫比亞大學(xué)Michal Lipson 教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)傳來(lái)突破性進(jìn)展 —— 他們成功開(kāi)發(fā)出一款可集成于芯片的 “頻率梳” 光源設(shè)備，首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了單根光纖對(duì)多數(shù)據(jù)流的并行傳輸，為數(shù)據(jù)中心傳輸效率的躍升提供了全新解決方案，也為硅光子學(xué)領(lǐng)域樹(shù)立了新的技術(shù)里程碑。

談及這項(xiàng)技術(shù)的起源，頗具“偶然性” 的突破背后，是團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期積累的必然。幾年前，Lipson 團(tuán)隊(duì)的研究重心原本是激光雷達(dá)技術(shù)改進(jìn)，旨在通過(guò)優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)提升激光雷達(dá)的探測(cè)精度與光束強(qiáng)度。在一次針對(duì) “高功率芯片發(fā)光性能” 的測(cè)試中，團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)：當(dāng)向芯片持續(xù)輸入更高功率的電能時(shí)，芯片發(fā)出的光并非簡(jiǎn)單增強(qiáng)，而是形成了一種具有特殊規(guī)律的光譜結(jié)構(gòu)。

“隨著我們向芯片傳送越來(lái)越多的電力，我們注意到它正在產(chǎn)生所謂的頻率梳?！?曾任職于 Lipson 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員安德烈斯?吉爾 - 莫利納（Andres Gil-Molina）回憶道。這一意外發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊(duì)迅速調(diào)整研究方向，將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向 “芯片級(jí)頻率梳的可控生成”。經(jīng)過(guò)數(shù)年系統(tǒng)性研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)最終掌握了穩(wěn)定生成芯片級(jí)頻率梳的核心技術(shù)，為后續(xù)應(yīng)用落地奠定了基礎(chǔ)。

從技術(shù)原理來(lái)看，頻率梳是一種具有高度規(guī)律性的特殊光源，其光譜由數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)均勻分布的“光頻段” 組成，每個(gè)頻段對(duì)應(yīng)一種特定顏色的光，且不同顏色光的頻率間隔精確可控。這一特性賦予了它獨(dú)特的傳輸優(yōu)勢(shì) —— 每一種顏色（即每一個(gè)頻率）都可作為獨(dú)立的 “數(shù)據(jù)通道”，承載專(zhuān)屬信息流。在這種模式下，數(shù)十個(gè)信號(hào)能在同一根光纖中并行傳輸，且彼此無(wú)干擾，理論上可將單根光纖的傳輸容量提升數(shù)十倍。

值得注意的是，在此次突破之前，頻率梳的生成長(zhǎng)期依賴(lài)龐大且昂貴的專(zhuān)業(yè)激光系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)通常需占據(jù)數(shù)平方米實(shí)驗(yàn)室空間，設(shè)備采購(gòu)與維護(hù)成本高達(dá)數(shù)十萬(wàn)美元，且對(duì)溫濕度、穩(wěn)定性等運(yùn)行環(huán)境要求苛刻，根本無(wú)法適配數(shù)據(jù)中心“小型化、低成本、易部署” 的實(shí)際需求。因此，盡管頻率梳的傳輸潛力早已得到學(xué)界認(rèn)可，但其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用一直受限。

“我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)采用非常強(qiáng)大的激光，并將其轉(zhuǎn)化為芯片上數(shù)十個(gè)干凈的高功率通道?！?/p>

現(xiàn)任Xscape Photonics 公司首席工程師的吉爾 - 莫利納解釋道。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，這款芯片級(jí)頻率梳的優(yōu)勢(shì)極為顯著：體積僅相當(dāng)于普通芯片，可直接集成至現(xiàn)有硅光子器件；硬件成本大幅降低，僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的幾分之一；能耗與空間占用量也實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)縮減?！斑@意味著能用一個(gè)緊湊設(shè)備替換單個(gè)激光器的機(jī)架，降低成本、節(jié)省空間，為更快、更節(jié)能的系統(tǒng)打開(kāi)大門(mén)。”

作為項(xiàng)目領(lǐng)銜者，Lipson 教授強(qiáng)調(diào)：“這項(xiàng)研究標(biāo)志著我們推進(jìn)硅光子學(xué)使命的又一個(gè)里程碑。隨著硅光子技術(shù)在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和日常生活中愈發(fā)重要，這種進(jìn)步對(duì)確保數(shù)據(jù)中心高效運(yùn)行至關(guān)重要?！?硅光子學(xué)作為融合半導(dǎo)體與光子技術(shù)的交叉學(xué)科，核心目標(biāo)是 “以光代電” 實(shí)現(xiàn)高速低耗傳輸，而芯片級(jí)頻率梳的突破，正是這一目標(biāo)的關(guān)鍵支撐。

深入探究研發(fā)過(guò)程，“馴服雜亂光源” 是團(tuán)隊(duì)面臨的核心挑戰(zhàn)。項(xiàng)目啟動(dòng)之初，研究人員首先思考：芯片上能安裝的最強(qiáng)大激光器是什么？經(jīng)過(guò)多輪篩選，他們選擇了 “多模激光二極管”—— 這類(lèi)器件在醫(yī)療設(shè)備（如激光手術(shù)儀）、工業(yè)檢測(cè)儀器中應(yīng)用廣泛，發(fā)光強(qiáng)度高且成本低廉，但缺陷也很明顯：產(chǎn)生的光束穩(wěn)定性差、光譜雜亂，難以直接用于高精度數(shù)據(jù)傳輸。

要將這種“高功率但高噪聲” 的光源集成到硅光子芯片，需要精密的工程方案?！拔覀兪褂昧艘环N‘鎖定機(jī)制’來(lái)凈化這種強(qiáng)大但噪聲大的光源?！?吉爾 - 莫利納介紹，這套機(jī)制本質(zhì)是集成于芯片的光學(xué)過(guò)濾與重塑系統(tǒng) —— 通過(guò)特殊光路設(shè)計(jì)與材料特性，實(shí)時(shí)過(guò)濾無(wú)規(guī)律噪聲頻段，將光束的相位、強(qiáng)度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)范圍，最終輸出具有 “高相干性” 的清晰光束。

當(dāng)光束穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)后，芯片自身的光學(xué)特性會(huì)進(jìn)一步發(fā)揮作用：在特定光路結(jié)構(gòu)與能量條件下，穩(wěn)定后的光束會(huì)自然分解為數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)均勻分布的頻段，形成標(biāo)準(zhǔn)頻率梳結(jié)構(gòu)。至此，一款兼具“工業(yè)級(jí)強(qiáng)度” 與 “科學(xué)級(jí)精度” 的緊湊型光源正式誕生，既滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心傳輸需求，又適配大規(guī)模商業(yè)化部署。

從行業(yè)應(yīng)用來(lái)看，這項(xiàng)突破恰逢其時(shí)。隨著AI 系統(tǒng)向 “大模型、大參數(shù)” 演進(jìn)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的 “數(shù)據(jù)搬運(yùn)” 壓力急劇增加 —— 處理器與內(nèi)存、不同服務(wù)器之間需實(shí)時(shí)傳輸海量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)單通道模式已成為 AI 計(jì)算效率的 “瓶頸”。而芯片級(jí)頻率梳的應(yīng)用，可讓單根光纖承載數(shù)十個(gè)數(shù)據(jù)通道，使數(shù)據(jù)中心內(nèi)部傳輸效率提升數(shù)十倍，既能滿(mǎn)足 AI 大模型實(shí)時(shí)計(jì)算需求，又能降低傳輸能耗。

除數(shù)據(jù)中心外，這款芯片級(jí)頻率梳還具備跨領(lǐng)域應(yīng)用潛力：在光譜分析領(lǐng)域，可作為緊湊型光譜儀核心光源，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢測(cè)；在量子科技領(lǐng)域，精確的頻率控制可支持量子器件信號(hào)傳輸與同步；在計(jì)時(shí)領(lǐng)域，基于頻率梳的光學(xué)時(shí)鐘精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電子時(shí)鐘，可應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航、精密計(jì)量；在激光雷達(dá)領(lǐng)域，還能推動(dòng)設(shè)備小型化與低成本化，助力自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)探測(cè)發(fā)展。

“這是為了將實(shí)驗(yàn)室級(jí)光源帶入現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備?！?吉爾 - 莫利納對(duì)未來(lái)充滿(mǎn)期待，“如果能讓它們足夠強(qiáng)大、高效、小巧，幾乎可以放在任何地方。” 目前，Lipson 團(tuán)隊(duì)正與企業(yè)合作推進(jìn)商業(yè)化落地，同時(shí)持續(xù)優(yōu)化技術(shù)性能。隨著這項(xiàng)技術(shù)的成熟與普及，不僅將重塑數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，更將為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高效、低碳發(fā)展注入新動(dòng)力，開(kāi)啟 “光傳輸” 時(shí)代的全新篇章。

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