定制的,现成的

资讯科技继续快速发展。然而，数据中心日益增长的需求已经将电子输入输出系统推到其物理极限，这造成了瓶颈。要保持这种增长，就需要我们改变制造计算机的方式。未来是光学的。

在过去的十年中，与电子互连相比，光子学以更高的带宽、更少的能量和更低的延迟增加了服务器之间的链路距离，从而为电子世界中的芯片到芯片的带宽问题提供了解决方案。

这次革命的一个要素，硅光子学，在15年前通过加州大学圣巴巴拉分校和英特尔公司的硅激光技术的演示而得到了发展。这引发了这一领域的大爆炸。英特尔目前正在为世界各地的数据中心提供数百万台硅光子收发器。

加州大学圣巴巴拉分校、加州理工学院和瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)合作在硅光子学方面的一项新发现，揭示了该领域的另一场革命。该小组成功地将一个复杂的光学系统简化并压缩到单个硅光子芯片上。这一成果的特点在于，它大大降低了生产成本，并使其与传统的硅芯片生产易于集成。

“现在整个互联网都是由光电子驱动的，”约翰·鲍尔斯说，他是加州大学圣巴巴拉分校纳米技术弗雷德·卡维里主席，他领导着该校的能源效率研究所，并领导了这项合作研究。

尽管光子学在互联网骨干中取得了巨大的成功，但挑战仍然存在。数据流量的激增对单个硅光子芯片所能处理的数据速率提出了越来越高的要求。使用多色激光来传输信息是解决这一需求的最有效的方法。激光的颜色越多，可以携带的信息就越多。

然而，这给集成激光器带来了一个问题，因为它一次只能产生一种颜色的激光。鲍尔斯说:“要达到这个目的，你可能真的需要在芯片里装上50或更多的激光。”使用50支激光器有很多缺点。它很昂贵，而且在电力方面效率很低。更重要的是，每一束激光产生的光的频率会由于噪音和热量而轻微波动。使用多种激光，频率甚至可以相互漂移，就像早期的无线电台那样。

一项名为“光频率梳”的技术为解决这个问题提供了一个很有前途的解决方案。它指的是一组等间隔频率的激光。绘制出的频率显示出类似梳子的尖峰和低谷，因此得名。然而，制造梳子需要笨重、昂贵的设备。鲍尔斯的团队利用集成的光子学方法，展示了世界上最小的梳状发生器，解决了所有这些问题。

该系统的结构相当简单，由一个商用分布式反馈激光器和一个氮化硅光子芯片组成。他说:“我们有一个光源，可以用一束激光和一块芯片产生所有这些颜色。这就是它的意义所在。”鲍尔斯说。

这种简单的结构大大降低了规模、功率和成本。现在，整个系统安装在一个比火柴盒还小的包里，其总价格和能耗都比以前的系统小。

更重要的是，新技术也更方便操作。在此之前，生成一个稳定的梳子是一项棘手的工作。研究人员必须调整频率和适当的功率，以产生一个相干的梳状态，称为孤子。该进程不能保证每次都生成这样的状态。加州理工学院应用物理学、信息科学与技术教授克里·瓦哈拉(Kerry Vahala)是该论文的合著者。他说:“这种新方法使得整个过程就像打开一盏房间灯一样简单。”

EPFL的物理学教授Tobias J. Kippenberg补充道:“这个结果的显著之处在于，频率梳的可重复性可以根据需要产生。”他提供了低损耗的氮化硅光子学芯片，这项技术已经通过LIGENTEC公司商业化。过去，这个过程需要精心控制。

所有这些改进背后的神奇之处在于一个有趣的物理现象。当泵浦激光器与谐振腔集成时，它们之间的相互作用形成一个自注入锁定的高耦合系统，同时产生“孤子”，脉冲在谐振腔内无限循环，产生光频率梳。“这种相互作用是直接产生梳子并在孤子状态下操作它的关键”，鲍尔斯实验室博士后研究员、合著者林畅解释说。

这项新技术将对光子学产生重大影响。除了满足通信相关产品对多色光源的需求外，它还在许多应用领域开辟了许多新的机遇。光学时钟就是一个例子，它提供了世界上最精确的时间标准，并且有许多用途——从日常生活中的导航到测量物理常数。

“光学钟过去又大又重又贵，”鲍尔斯说，“世界上只有少数几个。有了集成光电子技术，我们可以制造出适合手表的东西，你也买得起。低噪音集成光学微梳将使新一代光学时钟、通信和传感器成为可能。我们应该会看到更紧凑、更灵敏的GPS接收器由此产生。”

总之，光子学的未来是光明的。“将频率梳技术从实验室转移到现实世界是关键的一步。”鲍尔斯说。“它将改变光子学和我们的日常生活。”

这项研究是加州大学圣巴巴拉分校、加州理工学院和瑞士联邦理工学院洛桑(EPFL)的合作。该项目由DARPA的直接芯片数字光学合成器(DODOS)项目资助，该项目演示了使用光子集成电路的光学合成器。