信息技術(shù)繼續(xù)快速發(fā)展。但是，數(shù)據(jù)中心不斷增長(zhǎng)的需求已將電氣輸入輸出系統(tǒng)推向其物理極限，這造成了瓶頸。要保持這種增長(zhǎng)，就需要改變計(jì)算機(jī)的制造方式。未來(lái)是光明的。

在過(guò)去的十年中，與電子互連相比，光子學(xué)領(lǐng)域通過(guò)增加服務(wù)器之間的鏈接距離來(lái)提供更高的帶寬，更少的能量和更低的延遲，從而為電子世界中的芯片間帶寬問(wèn)題提供了解決方案。

硅光子學(xué)是這場(chǎng)革命的一個(gè)要素，它是在15年前提出的，當(dāng)時(shí)UC Santa Barbara和英特爾展示了硅激光技術(shù)。此后引發(fā)了該領(lǐng)域的爆炸式增長(zhǎng)。英特爾現(xiàn)在為全球數(shù)據(jù)中心提供數(shù)百萬(wàn)個(gè)硅光子收發(fā)器。

現(xiàn)在，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校，加州理工學(xué)院（Caltech）和EPFL之間的合作在該領(lǐng)域取得了另一項(xiàng)革命性的發(fā)現(xiàn)。該小組設(shè)法將復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)化并壓縮到單個(gè)硅光子芯片上。該成果發(fā)表在《 自然》雜志上，大大降低了生產(chǎn)成本，并易于與傳統(tǒng)的硅芯片生產(chǎn)集成。

“整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在由光子學(xué)驅(qū)動(dòng)，”約翰·鮑爾斯（John Bowers）說(shuō)，他是加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）納米技術(shù)分會(huì)主席弗雷德·卡夫利（Fred Kavli）的負(fù)責(zé)人，他是該校能源效率研究所的負(fù)責(zé)人，并領(lǐng)導(dǎo)了合作研究工作。

盡管光子學(xué)在互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)中取得了巨大的成功，但仍然存在挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長(zhǎng)也意味著對(duì)硅光子芯片可以處理的數(shù)據(jù)速率的要求不斷提高。到目前為止，解決此需求的最有效方法是使用多色激光燈來(lái)傳輸信息：激光色越多，攜帶的信息越多。

但是，這給集成激光器帶來(lái)了問(wèn)題，集成激光器一次只能產(chǎn)生一種顏色的激光。Bowers說(shuō)：“為此，您可能實(shí)際上需要在該芯片中使用五十個(gè)或更多的激光器。” 并且使用五十個(gè)激光器昂貴且功率低效。而且，噪聲和熱量會(huì)導(dǎo)致每個(gè)激光器產(chǎn)生的光的頻率發(fā)生波動(dòng)。最后，使用多個(gè)激光器，頻率甚至可以相互漂移，就像早期的廣播電臺(tái)一樣。

在光學(xué)頻率梳技術(shù)中可以找到一種解決方案，該技術(shù)是等距間隔的激光頻率的集合。繪制頻率可以發(fā)現(xiàn)類似于發(fā)梳的尖峰和下垂-因此得名。

產(chǎn)生梳子曾經(jīng)需要龐大且昂貴的設(shè)備，但是現(xiàn)在可以使用最近出現(xiàn)的基于微諧振器的孤子頻率梳來(lái)管理，這種孤子頻率梳是基于CMOS光子芯片的小型化頻率梳源。合作團(tuán)隊(duì)使用這種“集成光子學(xué)”方法，開(kāi)發(fā)了世界上最小的梳狀發(fā)生器，從根本上解決了所有這些問(wèn)題。

該系統(tǒng)相當(dāng)簡(jiǎn)單，由市售的反饋激光器和氮化硅光子芯片組成。鮑爾斯說(shuō)：“我們擁有的是一種光源，它可以用一個(gè)激光器和一個(gè)芯片產(chǎn)生所有這些顏色。” “這就是重要的意義。”

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單意味著體積小，功耗低，成本低。現(xiàn)在，整個(gè)裝置可以放在比火柴盒小的包裝中，火柴盒的總價(jià)格和功耗都比以前的系統(tǒng)小。

新技術(shù)的操作也更加方便。以前，產(chǎn)生穩(wěn)定的梳子是一項(xiàng)棘手的工作。研究人員必須正確調(diào)整頻率和功率才能產(chǎn)生相干的孤子梳，即使這樣，也不能保證每次都能產(chǎn)生一個(gè)梳。加州理工學(xué)院應(yīng)用物理和信息科學(xué)與技術(shù)教授凱里·瓦哈拉說(shuō)：“新方法使打開(kāi)過(guò)程就像打開(kāi)室內(nèi)照明燈一樣容易。”

EPFL物理學(xué)教授，實(shí)驗(yàn)室，光子學(xué)和量子測(cè)量（LPQM）負(fù)責(zé)人Tobias J. Kippenberg補(bǔ)充說(shuō)：“結(jié)果令人矚目的是完全的光子集成和可重復(fù)性，可以按需產(chǎn)生頻率梳。”他的實(shí)驗(yàn)室在十多年前首次觀察到微梳。

EPFL團(tuán)隊(duì)提供了超低損耗氮化硅光子芯片，該芯片是在EPFL MicroNanoTechnology（CMi）中心制造的，并且是孤子梳產(chǎn)生的關(guān)鍵組件。低損耗的氮化硅光子技術(shù)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室初創(chuàng)公司LIGENTEC進(jìn)行了商業(yè)化。

所有這些改進(jìn)的背后在于一個(gè)有趣的物理現(xiàn)象：當(dāng)泵浦激光器和諧振器集成在一起時(shí)，它們的相互作用形成了一個(gè)高度耦合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自注入鎖定功能，并同時(shí)生成“孤子”，即在內(nèi)部無(wú)限循環(huán)的脈沖諧振器并產(chǎn)生光頻率梳。

新技術(shù)有望對(duì)光子學(xué)產(chǎn)生廣泛的影響。除了滿足通信相關(guān)產(chǎn)品中多色光源的需求外，它還在許多應(yīng)用中帶來(lái)了許多新機(jī)會(huì)。一個(gè)例子是光鐘，它提供了世界上最精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，并且被用于從導(dǎo)航到測(cè)量物理常數(shù)的許多應(yīng)用中。

鮑爾斯說(shuō)：“過(guò)去，光學(xué)時(shí)鐘既大，又重又昂貴。” “世界上只有少數(shù)幾個(gè)產(chǎn)品。借助集成的光子學(xué)，我們可以制造出可以放在手表中的東西，而您可以負(fù)擔(dān)得起。”

國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的項(xiàng)目經(jīng)理戈登·基勒說(shuō)：“低噪聲集成光學(xué)微梳將實(shí)現(xiàn)新一代的光學(xué)時(shí)鐘，通信和傳感器。” “我們應(yīng)該看到這種方法帶來(lái)了更緊湊，更靈敏的GPS接收器。”

總而言之，光子學(xué)的前景一片光明。Bowers說(shuō)：“這是將頻率梳技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界的關(guān)鍵步驟。” “它將改變光子學(xué)和我們的日常生活。”
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