隨著全球對數據需求的激增，數據系統的速度和效率競賽已經來到關鍵時刻。儘管當前已經擁有先進的光纖網絡，但大多數數據中心仍然依賴單波長激光，這意味著每根光纖只能傳輸一條數據流。為了提高傳輸速度，工程師們需要能夠在同一根光纖中同時發送多條數據流的光源。哥倫比亞大學的研究團隊最近成功實現了這一目標，為數據傳輸技術的未來開闢了新的可能性。
在 Michal Lipson 的帶領下，研究團隊開發了一種能夠產生強大「頻率梳」的芯片。頻率梳是一種特殊的光源，由數十條均勻間隔的波長組成。幾年前，Lipson 團隊在改進 LiDAR 技術的過程中意外發現了這一現象。他們正在測試設計用來產生更亮光束的高功率芯片時，出現了驚人的結果。前博士後研究員 Andres Gil-Molina 提到，「當我們通過芯片發送越來越多的功率時，我們注意到它產生了我們所稱的頻率梳。」
頻率梳的特點是它包含許多不同的顏色，每種顏色之間的間隔非常精確。每種顏色或頻率都可以承載自己的信息流，使得多個信號能夠並行傳輸而不會相互干擾。直到目前為止，生成這種光的技術需要體積龐大且價格昂貴的激光系統。然而，Gil-Molina 說：「我們開發的技術將一個非常強大的激光轉變為數十個清晰、高功率的通道，並且可以在一個芯片上實現。這意味著可以用一個緊湊的設備替代多排的獨立激光，大幅降低成本，節省空間，並為更快、更節能的系統鋪平道路。」
這項研究標誌著在推進矽光子學方面又一個重要的里程碑。Lipson 表示，隨著這項技術在關鍵基礎設施和我們日常生活中的越來越重要，這類進展對於確保數據中心的高效運行至關重要。該項目始於一個簡單的問題——能放在芯片上的最強激光是什麼？團隊選擇了多模激光二極體，這種激光廣泛應用於醫療和工業設備中。這些激光能夠產生大量的光，但其光束往往不穩定且難以控制。
將這種雜亂的光源整合到矽光子學芯片中需要精密的工程設計。Gil-Molina 解釋道：「我們使用了一種稱為鎖定機制的技術，以純化這種強大但噪聲很大的光源。」這種方法能夠過濾和重塑光束，使其輸出更清晰、更穩定，這種特性被稱為高相干性。一旦光被穩定，芯片的光學特性自然會將光分裂成均勻間隔的顏色，從而創造出頻率梳。最終的結果是一種緊湊、高效且高功率的光源，將工業強度與科學精確性結合在一起。
這一突破性進展正值計算和通信的關鍵時刻。隨著人工智能系統的規模不斷擴大，數據中心在處理器和內存之間快速傳遞信息的能力受到挑戰。頻率梳可以改變這一狀況，通過允許多個數據通道在一根光纖中同時運行來提高數據傳輸效率。通過微型化這項技術，Lipson 團隊創造了一種能夠重塑最先進計算系統內部數據流動方式的解決方案。該芯片技術還可以用於緊湊的光譜儀、量子設備、光學時鐘和下一代 LiDAR 系統。Gil-Molina 表示：「這是將實驗室級的光源帶入現實世界設備的過程。如果能夠使其強大、高效且足夠小，幾乎可以將其放置在任何地方。」該研究的結果已發表在《自然光子學》期刊上，並預示著未來數據技術的一個新方向。
