芯片級光學頻率梳：開啓新一代光學時鐘、通信與傳感器！

背景

如今，信息技術持續快速發展。然而，數字中心日益增長的需求，逐漸使電氣輸入輸出系統逼近其物理極限，這樣就造成了一個瓶頸。我們需要改變製造計算機的方式，以保持這種增長。光學是未來的希望。

過去十年，光子學以比電氣互連更高的帶寬、更少的能耗、更低的延時來增加服務器之間的連接距離，為電子世界中芯片間帶寬問題提供瞭解決方案。

硅光子學是這一變革的一個重要元素。15年前，加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校以及英特爾公司演示的硅激光器技術，推動了硅光子學的發展。這項技術引爆了這一領域。英特爾公司正在向全世界的數據中心輸送數百萬個硅光子收發器。

創新

近日，美國加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校、加州理工學院、瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）展開合作，在硅光子學領域取得了一項新發現，揭示了這一領域的另一場變革。研究團隊設法簡化複雜的光學系統，並將它壓縮到單個硅光子芯片上。這一成果發表在《自然（Nature）》雜誌上，它顯著降低了生產成本，並能輕鬆集成到傳統硅芯片的生產中。

技術

加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校納米技術主席、校園節能研究所主任、這項合作研究的領導者約翰·鮑爾斯（John Bowers）表示：“如今，整個互聯網都是由光子學驅動的。”

儘管光子學在互聯網的骨幹網中取得了巨大的成功，但是挑戰仍然存在。數據流量的激增，要求每個硅光子芯片處理數據的速度越來越快。採用彩色激光傳輸信息是滿足這一需求最高效的方式。激光的色彩越豐富，它可以攜帶的信息就越多。

然而，這樣就為集成激光器帶來了問題，集成激光器每次只能生成一種顏色的激光。鮑爾斯表示：“為了達到那個目標，你可能差不多在那個芯片中需要50個或者更多的激光器。”使用50個激光器有很多缺點。它昂貴，而且在功率方面的效率很低。此外，由於噪音和熱量，每個激光產生的光線頻率都會小幅波動。使用多個激光器時，頻率甚至會互相影響，就像早期的廣播電台一樣。

一項稱為“光學頻率梳”的技術為解決這個問題提供了一個有前途的解決方案。光學頻率梳是一種特殊的激光源，其頻譜由一系列離散的等間距頻譜線組成。這些頻譜線的分佈，如同我們日常生活中的梳子，梳齒之間保持着相等的距離。這些具有穩定重複頻率的超短光脈衝，精確地對應於梳齒線的頻率間隔。

光學頻率梳的光譜（圖片來源：維基百科）

然而，生成頻率梳需要龐大、昂貴的設備。採用集成光子學方案，鮑爾斯團隊展示了世界上最小的頻率梳髮生器，它解決了所有這些問題。

這個系統配置起來相當簡單，由一個商業分銷的反饋激光器和一個氮化硅光子芯片組成。鮑爾斯表示：“我們擁有的光源，能用一個激光器和一顆芯片生成所有這些色彩。這才是這項技術的重要之處。”

簡單的結構導致尺寸、功率和成本都顯著降低。這個裝置可以安裝到一個比火柴盒更小的盒子中，它的總體成本和功耗比之前的系統要低。

此外，這項技術操作起來也更加方便。之前，生成穩定頻率梳一直是一個棘手的難題。研究人員必須不差毫釐地調製頻率並調整功率，以產生相干頻率梳狀態，也稱為“孤子”。這個過程無法保證每次都能生成這樣的狀態。加州理工學院信息科學與技術系以及應用物理系教授、論文合著者克里·瓦哈拉（Kerry Vahala）表示：“這個新方案使得這個過程就像打開房間的燈一樣簡單。”

孤子微梳器件的藝術印象圖（圖片來源：Brian Long）

EPFL 物理系教授、低功耗氮化硅光子芯片（這項技術已經被 LIGENTEC 公司商用）的提供者託拜厄斯·J·基本伯格（Tobias J. Kippenberg）補充道：“這一成果的非凡之處在於，可按需生成頻率梳的可再現性。過去這個過程曾需要精細的控制。”

所有這些改進背後的秘訣，都存在於一個有趣的物理現象中。當泵浦激光器與諧振器集成到一起時。他們之間的相互作用形成了一個高度耦合的系統，它是自注入鎖定的，並同時產生“孤子”脈衝。這些脈衝在諧振器內無限循環，產生光學頻率梳。鮑爾斯實驗室的博士後研究員、論文合著者常林（音譯）解釋道：“這樣的相互作用是直接生成頻率梳並在孤子狀態下操作它的關鍵。”

完整並可立即使用的孤子微梳芯片的內部工作機制。