對更快、更高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)的競爭正處于關鍵時刻。隨著人工智能推動全球數(shù)據(jù)需求激增，連先進的光纖網(wǎng)絡也難以跟上。目前，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心仍依賴單波長激光，這就意味著每根光纖只能傳輸一條數(shù)據(jù)流。

為了更快地傳輸數(shù)據(jù)，工程師們需要能夠同時通過同一根光纖發(fā)送多個數(shù)據(jù)流的光源。這正是哥倫比亞大學的研究人員目前所取得的成果。

在米哈爾·利普森的帶領下，該團隊開發(fā)了一種能夠生成強大“頻率梳”的芯片，這種芯片由數(shù)十個均勻間隔的波長組成。

幾年前，利普森的團隊在努力改進激光雷達技術時，偶然發(fā)現(xiàn)了一種意想不到的現(xiàn)象。當他們測試設計用于產(chǎn)生更亮光束的高功率芯片時，發(fā)生了一些令人驚訝的事情。

“當我們通過芯片傳輸越來越多的功率時，我們注意到它產(chǎn)生了我們所稱的頻率梳，”安德烈斯·吉爾-莫利納說，他曾是利普森實驗室的博士后研究員。

頻率梳光是一種包含許多不同顏色的光，每種顏色之間的間隔都非常精確。每種顏色或頻率都可以攜帶自己的信息流，使得數(shù)十個信號能夠并行傳輸而不互相干擾。

直到現(xiàn)在，產(chǎn)生這種光仍然需要笨重且昂貴的激光系統(tǒng)。

“我們開發(fā)的技術把一束非常強大的激光轉化為芯片上的數(shù)十個干凈、高功率的通道，”現(xiàn)任Xscape Photonics首席工程師的Gil-Molina說。

“這意味著你可以用一個小巧的設備替代一整排單獨的激光器，從而降低成本，節(jié)省空間，并為更快、更節(jié)能的系統(tǒng)鋪平道路?！?/p>

“這項研究標志著我們推動硅光子學的發(fā)展又一個里程碑，”Lipson說?！半S著這項技術在關鍵基礎設施和日常生活中變得愈發(fā)重要，這種進展對于確保數(shù)據(jù)中心盡可能高效至關重要?！?/p>

清理混亂的光

該項目始于一個簡單的問題——什么是能放在芯片上的最強激光？

團隊選擇了一種多模激光二極管，這種激光二極管廣泛應用于醫(yī)療和工業(yè)設備。這些激光可以產(chǎn)生大量的光，但其光束往往不穩(wěn)定，難以控制。

將這樣一個混亂的光源集成到硅光子學芯片中需要精細的工程設計?！拔覀兪褂昧艘环N叫做鎖定機制的技術來凈化這個強大但非常嘈雜的光源，”Gil-Molina解釋說。

該方法過濾并重塑光束，使輸出更加清晰穩(wěn)定，這個特性叫做高相干度。

一旦光線穩(wěn)定，芯片的光學特性自然將其分裂成均勻間隔的顏色，形成頻率梳狀光譜。其結果是一個緊湊、高效且高功率的光源，兼具工業(yè)強度和科學精度。

人工智能及其未來的及時飛躍

這個突破在計算和通信的關鍵時刻出現(xiàn)。隨著人工智能系統(tǒng)越來越大，數(shù)據(jù)中心在處理器和內(nèi)存之間快速傳輸信息時遇到困難。

頻率梳可以讓多個數(shù)據(jù)通道同時通過一根光纖，從而改變這一現(xiàn)狀。

通過將這項技術微型化，Lipson的團隊創(chuàng)造了一種可以重塑數(shù)據(jù)在最先進計算系統(tǒng)中流動的方式。這項芯片技術還可以用于緊湊型光譜儀、量子設備、光學鐘以及下一代 激光雷達 系統(tǒng)。

“這就是把實驗室級別的光源應用到現(xiàn)實設備中的意義，”Gil-Molina說?！叭绻隳茏屗鼈兗葟姶笥指咝?，還足夠小，那就幾乎可以把它們放在任何地方?！?/p>

這項研究發(fā)表在期刊 自然光子學 上。