洛桑联邦理工学院 具有光纤输出的蝶形封装中的紧凑型氮化硅集成孤子微电容器芯片器件
信用:常林(UCSB) 信息技术继续快速发展
然而，数据中心不断增长的需求已经将电气输入输出系统推到了物理极限，这造成了瓶颈
保持这种增长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，光子学领域通过增加服务器之间的链接距离，为电子世界中的芯片间带宽问题提供了一种解决方案，与电互连相比，这种方法具有更高的带宽、更少的能量和更低的延迟
15年前，加州大学圣巴巴拉分校和英特尔公司展示了硅激光技术，推动了这场革命的一个要素——硅光子学
这引发了这个领域的爆炸
英特尔现在正在为世界各地的数据中心提供数百万个硅光子收发器
现在，加州大学圣巴巴拉分校、加州理工学院和EPFL大学的合作在该领域又有了一项革命性的发现
该小组设法将一个复杂的光学系统简化并浓缩到一个硅光子芯片上
发表在《自然》杂志上的这一成果显著降低了生产成本，并允许与传统硅片生产轻松集成
“现在整个互联网都是由光子学驱动的，”约翰·鲍尔斯说，他是加州大学圣巴巴拉分校纳米技术的弗雷德·卡弗利教授，同时也是该校能效研究所的负责人和合作研究的带头人
尽管光子学在互联网的主干上取得了巨大的成功，但仍然存在挑战
数据流量的爆炸式增长也意味着对硅光子芯片能够处理的数据速率的要求越来越高
到目前为止，解决这一需求的最有效方法是使用多色激光来传输信息:激光颜色越多，可以携带的信息就越多
但这给集成激光器带来了问题，因为它一次只能产生一种颜色的激光
鲍尔斯说:“为了这个目的，你可能真的需要50个或更多的激光器。”
就功率而言，使用50个激光器既昂贵又低效
此外，噪音和热量会导致每个激光器产生的光的频率波动
最后，有了多个激光器，频率甚至可以相互漂移，就像早期的广播电台一样
一种解决方案可以在“光频梳”技术中找到，光频梳是激光等间隔频率的集合
绘制频率图揭示了类似梳子的尖峰和低谷——因此得名
过去产生梳需要庞大而昂贵的设备，但现在可以使用最近出现的基于微谐振器的孤立子频率梳进行管理，孤立子频率梳是建立在互补金属氧化物半导体光子芯片上的小型化频率梳源
利用这种“集成光子学”的方法，合作团队开发出了世界上最小的梳状发生器，从本质上解决了所有这些问题
该系统相当简单，由一个商用反馈激光器和一个氮化硅光子芯片组成
鲍尔斯说:“我们所拥有的是一个光源，它可以用一个激光器和一个芯片产生所有这些颜色。”
“这就是这件事的意义所在
" 结构简单意味着体积小、功耗低、成本低
整个装置现在装在一个比火柴盒小的包装里，火柴盒的整体价格和功耗都比以前的系统小
这项新技术操作起来也方便得多
以前，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功率，才能产生相干孤子梳，即使这样，也不能保证每次都能产生一个梳
加州理工学院应用物理和信息科学与技术教授凯瑞·瓦哈拉说:“新方法使这个过程变得像打开房间的灯一样简单。”新的孤子产生方案就是在那里被发现的
托比亚斯·J补充说:“结果的显著之处在于完全的光子集成和再现性，可以按需产生频率梳。”
EPFL大学物理学教授基普彭伯格领导着实验室和光子学与量子测量，他的实验室在十多年前首次观察到微库仑
EPFL团队已经提供了超低损耗的氮化硅光子芯片，它是在EPFL微纳米技术中心(CMi)制造的，并作为产生孤子梳的关键部件
低损耗氮化硅光子技术已经通过实验室初创公司利根泰克实现了商业化
所有这些改进背后的“魔力”在于一个有趣的物理现象:当泵浦激光器和谐振器集成在一起时，它们的相互作用形成了一个高度耦合的系统，该系统是自注入锁定的，同时产生“孤子”——在谐振器内部无限循环并产生光频率梳的脉冲
这项新技术有望对光子学产生广泛的影响
除了满足通信相关产品中多色光源的需求，它还在许多应用中开辟了许多新的机会
一个例子是光学时钟，它提供了世界上最精确的时间标准，并被用于从导航到测量物理常数的许多应用中
鲍尔斯说:“光学钟过去又大又重，而且很贵。”
“世界上只有几个
有了集成光子学，我们可以制造出可以放在手表里的东西，你可以买得起
" 国防高级研究计划局(DARPA)项目经理戈登·基勒说:“低噪声集成光学微库仑将使新一代光学时钟、通信和传感器成为可能。”
“我们应该看到这种方法会带来更紧凑、更灵敏的全球定位系统接收器
" 总而言之，光子学的未来看起来很光明
鲍尔斯说:“将频率梳技术从实验室转移到现实世界是关键的一步。”
“它将改变光子学和我们的日常生活
"
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