如今，信息技术持续快速发展。然而，数字中心日益增长的需求，逐渐使电气输入输出系统逼近其物理极限，这样就造成了一个瓶颈。我们需要改变制造计算机的方式，以保持这种增长。光学是未来的希望。近日，美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校、加州理工学院、瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）展开合作，在硅光子学领域取得了一项新发现，揭示了这一领域的另一场变革。研究团队设法简化复杂的光学系统，并将它压缩到单个硅光子芯片上。这一成果发表在《自然（Nature）》杂志上，它显著降低了生产成本，并能轻松集成到传统硅芯片的生产中。
（图片来源：Getty Images）
过去十年，光子学以比电气互连更高的带宽、更少的能耗、更低的延时来增加服务器之间的连接距离，为电子世界中芯片间带宽问题提供了解决方案。
（图片来源：Younghee Lee）
硅光子学是这一变革的一个重要元素。15年前，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校以及英特尔公司演示的硅激光器技术，推动了硅光子学的发展。这项技术引爆了这一领域。英特尔公司正在向全世界的数据中心输送数百万个硅光子收发器。
加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校纳米技术主席、校园节能研究所主任、这项合作研究的领导者约翰·鲍尔斯（John Bowers）表示：“如今，整个互联网都是由光子学驱动的。”
尽管光子学在互联网的骨干网中取得了巨大的成功，但是挑战仍然存在。数据流量的激增，要求每个硅光子芯片处理数据的速度越来越快。采用彩色激光传输信息是满足这一需求最高效的方式。激光的色彩越丰富，它可以携带的信息就越多。
然而，这样就为集成激光器带来了问题，集成激光器每次只能生成一种颜色的激光。鲍尔斯表示：“为了达到那个目标，你可能差不多在那个芯片中需要50个或者更多的激光器。”使用50个激光器有很多缺点。它昂贵，而且在功率方面的效率很低。此外，由于噪音和热量，每个激光产生的光线频率都会小幅波动。使用多个激光器时，频率甚至会互相影响，就像早期的广播电台一样。
一项称为“光学频率梳”的技术为解决这个问题提供了一个有前途的解决方案。光学频率梳是一种特殊的激光源，其频谱由一系列离散的等间距频谱线组成。这些频谱线的分布，如同我们日常生活中的梳子，梳齿之间保持着相等的距离。这些具有稳定重复频率的超短光脉冲，精确地对应于梳齿线的频率间隔。
光学频率梳的光谱（图片来源：维基百科）
然而，生成频率梳需要庞大、昂贵的设备。采用集成光子学方案，鲍尔斯团队展示了世界上最小的频率梳发生器，它解决了所有这些问题。
这个系统配置起来相当简单，由一个商业分销的反馈激光器和一个氮化硅光子芯片组成。鲍尔斯表示：“我们拥有的光源，能用一个激光器和一颗芯片生成所有这些色彩。这才是这项技术的重要之处。”
简单的结构导致尺寸、功率和成本都显著降低。这个装置可以安装到一个比火柴盒更小的盒子中，它的总体成本和功耗比之前的系统要低。
此外，这项技术操作起来也更加方便。之前，生成稳定频率梳一直是一个棘手的难题。研究人员必须不差毫厘地调制频率并调整功率，以产生相干频率梳状态，也称为“孤子”。这个过程无法保证每次都能生成这样的状态。加州理工学院信息科学与技术系以及应用物理系教授、论文合著者克里·瓦哈拉（Kerry Vahala）表示：“这个新方案使得这个过程就像打开房间的灯一样简单。”
孤子微梳器件的艺术印象图（图片来源：Brian Long）
EPFL 物理系教授、低功耗氮化硅光子芯片（这项技术已经被 LIGENTEC 公司商用）的提供者托拜厄斯·J·基本伯格（Tobias J. Kippenberg）补充道：“这一成果的非凡之处在于，可按需生成频率梳的可再现性。过去这个过程曾需要精细的控制。”
所有这些改进背后的秘诀，都存在于一个有趣的物理现象中。当泵浦激光器与谐振器集成到一起时。他们之间的相互作用形成了一个高度耦合的系统，它是自注入锁定的，并同时产生“孤子”脉冲。这些脉冲在谐振器内无限循环，产生光学频率梳。鲍尔斯实验室的博士后研究员、论文合著者常林（音译）解释道：“这样的相互作用是直接生成频率梳并在孤子状态下操作它的关键。”
完整并可立即使用的孤子微梳芯片的内部工作机制。（图片来源： Lin Chang）
这项新技术将对光子学产生巨大影响。除了满足与通信相关的产品中彩色光源的需求，它还为众多领域开辟了许多新机遇。一个例子就是光学时钟，它提供了世界上最精确的时间标准，并有许多用途，从日常生活中的导航到物理常数的测量。
鲍尔斯表示：“光学时钟曾经很大、很重、很昂贵，世界上只有为数不多的光学时钟。通过集成光子学，我们可以制造放在手表里的光学时钟，而且你能买得起。低噪声集成光学微梳将开启新一代的光学时钟、通信与传感器。我们应该会看到通过方案生产出更紧凑、更灵敏的GPS接收器。”
总而言之，光子学的前途一片光明。鲍尔斯表示：“这是频率梳技术从实验室走向真实世界的关键一步。它将改变光子学和我们的日常生活。”
