新型芯片突破传输瓶颈，加速数据高速流转

在当今数字化浪潮与人工智能技术迅猛发展的时代，全球数据需求正以惊人的指数级速度激增。一场围绕 “更快、更高效数据系统” 的激烈竞争已然进入关键阶段。从 AI 模型的复杂训练推理到高清视频的实时流畅传输，从云计算服务的海量数据处理到物联网设备的频繁交互，各类应用对数据中心的算力与传输能力提出了前所未有的严苛要求。然而，当前主流通信基础设施却面临着严峻的瓶颈问题。即便采用了先进的光纤网络，传统传输技术也逐渐难以匹配爆发式增长的数据量。如何突破这一限制，成为了全球工程师亟待攻克的核心难题。

图:示意图显示了高功率微梳源中的衍射元件分裂梳线

这一困境的根源在于数据中心长期依赖的单波长激光器技术。目前，绝大多数数据中心的光纤传输系统，每根光纤仅能通过单一波长的激光承载一条数据流。在数据需求相对平缓的时期，这种模式尚可满足基本需求。但在 AI 驱动的 “数据洪流” 面前，单通道传输效率低、硬件部署成本高、能耗与空间占用量大等问题被无限放大。要实现数据传输能力的跨越式提升，关键在于研发能让单根光纤同时承载多条光流的新型光源技术。

就在这一技术困局的关键节点，哥伦比亚大学 Michal Lipson 教授领衔的研究团队传来了突破性进展。他们成功开发出一款可集成于芯片的 “频率梳” 光源设备，首次在实验室环境下实现了单根光纤对多数据流的并行传输。这不仅为数据中心传输效率的跃升提供了全新的解决方案，也为硅光子学领域树立了新的技术里程碑。

谈及这项技术的起源，颇具 “偶然性” 的突破背后，实则是团队长期积累的必然结果。几年前，Lipson 团队的研究重心原本是激光雷达技术改进，旨在通过优化芯片设计提升激光雷达的探测精度与光束强度。在一次针对 “高功率芯片发光性能” 的测试中，团队意外发现：当向芯片持续输入更高功率的电能时，芯片发出的光并非简单增强，而是形成了一种具有特殊规律的光谱结构。

“随着我们向芯片传送越来越多的电力，我们注意到它正在产生所谓的频率梳。” 曾任职于 Lipson 实验室的博士后研究员安德烈斯・吉尔 - 莫利纳（Andres Gil-Molina）回忆道。这一意外发现让团队迅速调整研究方向，将重点转向 “芯片级频率梳的可控生成”。经过数年系统性研究与实验验证，团队最终掌握了稳定生成芯片级频率梳的核心技术，为后续应用落地奠定了坚实的基础。

从技术原理来看，频率梳是一种具有高度规律性的特殊光源，其光谱由数十个波长均匀分布的 “光频段” 组成，每个频段对应一种特定颜色的光，且不同颜色光的频率间隔精确可控。这一特性赋予了它独特的传输优势，每一种颜色（即每一个频率）都可作为独立的 “数据通道”，承载专属信息流。在这种模式下，数十个信号能在同一根光纤中并行传输，且彼此无干扰，理论上可将单根光纤的传输容量提升数十倍。

值得注意的是，在此次突破之前，频率梳的生成长期依赖庞大且昂贵的专业激光系统。这类系统通常需占据数平方米实验室空间，设备采购与维护成本高达数十万美元，且对温湿度、稳定性等运行环境要求苛刻，根本无法适配数据中心 “小型化、低成本、易部署” 的实际需求。因此，尽管频率梳的传输潜力早已得到学界认可，但其在工业领域的应用一直受限。

“我们开发的技术采用非常强大的激光，并将其转化为芯片上数十个干净的高功率通道。” 现任 Xscape Photonics 公司首席工程师的吉尔 - 莫利纳解释道。与传统系统相比，这款芯片级频率梳的优势极为显著：体积仅相当于普通芯片，可直接集成至现有硅光子器件；硬件成本大幅降低，仅为传统系统的几分之一；能耗与空间占用量也实现数量级缩减。“这意味着能用一个紧凑设备替换单个激光器的机架，降低成本、节省空间，为更快、更节能的系统打开大门。”

作为项目领衔者，Lipson 教授强调：“这项研究标志着我们推进硅光子学使命的又一个里程碑。随着硅光子技术在关键基础设施和日常生活中愈发重要，这种进步对确保数据中心高效运行至关重要。” 硅光子学作为融合半导体与光子技术的交叉学科，核心目标是 “以光代电” 实现高速低耗传输，而芯片级频率梳的突破，正是这一目标的关键支撑。

深入探究研发过程，“驯服杂乱光源” 是团队面临的核心挑战。项目启动之初，研究人员首先思考：芯片上能安装的最强大激光器是什么？经过多轮筛选，他们选择了 “多模激光二极管”。这类器件在医疗设备（如激光手术仪）、工业检测仪器中应用广泛，发光强度高且成本低廉，但缺陷也很明显：产生的光束稳定性差、光谱杂乱，难以直接用于高精度数据传输。

要将这种 “高功率但高噪声” 的光源集成到硅光子芯片，需要精密的工程方案。“我们使用了一种‘锁定机制’来净化这种强大但噪声大的光源。” 吉尔 - 莫利纳介绍，这套机制本质是集成于芯片的光学过滤与重塑系统。通过特殊光路设计与材料特性，实时过滤无规律噪声频段，将光束的相位、强度稳定在预设范围，最终输出具有 “高相干性” 的清晰光束。

当光束稳定性达标后，芯片自身的光学特性会进一步发挥作用。在特定光路结构与能量条件下，稳定后的光束会自然分解为数十个波长均匀分布的频段，形成标准频率梳结构。至此，一款兼具 “工业级强度” 与 “科学级精度” 的紧凑型光源正式诞生，既满足数据中心传输需求，又适配大规模商业化部署。

从行业应用来看，这项突破恰逢其时。随着 AI 系统向 “大模型、大参数” 演进，数据中心内部的 “数据搬运” 压力急剧增加。处理器与内存、不同服务器之间需实时传输海量数据，传统单通道模式已成为 AI 计算效率的 “瓶颈”。而芯片级频率梳的应用，可让单根光纤承载数十个数据通道，使数据中心内部传输效率提升数十倍，既能满足 AI 大模型实时计算需求，又能降低传输能耗。

除数据中心外，这款芯片级频率梳还具备跨领域应用潜力。在光谱分析领域，可作为紧凑型光谱仪核心光源，用于环境监测、食品检测；在量子科技领域，精确的频率控制可支持量子器件信号传输与同步；在计时领域，基于频率梳的光学时钟精度远超传统电子时钟，可应用于卫星导航、精密计量；在激光雷达领域，还能推动设备小型化与低成本化，助力自动驾驶、无人机探测发展。

“这是为了将实验室级光源带入现实世界的设备。” 吉尔 - 莫利纳对未来充满期待，“如果能让它们足够强大、高效、小巧，几乎可以放在任何地方。” 目前，Lipson 团队正与企业合作推进商业化落地，同时持续优化技术性能。随着这项技术的成熟与普及，不仅将重塑数据中心基础设施架构，更将为数字经济的高效、低碳发展注入新动力，开启 “光传输” 时代的全新篇章。