信息技術繼續快速發展。但是，數據中心不斷增長的需求已將電氣輸入輸出系統推向其物理極限，這造成了瓶頸。要保持這種增長，就需要改變計算機的制造方式。未來是光明的。

在過去的十年中，與電子互連相比，光子學領域通過增加服務器之間的鏈接距離來提供更高的帶寬，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題提供了解決方案。

硅光子學是這場革命的一個要素，它是在15年前提出的，當時UC Santa Barbara和英特爾展示了硅激光技術。此后引發了該領域的爆炸式增長。英特爾現在為全球數據中心提供數百萬個硅光子收發器。

現在，加州大學圣塔芭芭拉分校，加州理工學院（Caltech）和EPFL之間的合作在該領域取得了另一項革命性的發現。該小組設法將復雜的光學系統簡化并壓縮到單個硅光子芯片上。該成果發表在《 自然》雜志上，大大降低了生產成本，并易于與傳統的硅芯片生產集成。

“整個互聯網現在由光子學驅動，”約翰·鮑爾斯（John Bowers）說，他是加州大學圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）納米技術分會主席弗雷德·卡夫利（Fred Kavli）的負責人，他是該校能源效率研究所的負責人，并領導了合作研究工作。

盡管光子學在互聯網的骨干網中取得了巨大的成功，但仍然存在挑戰。數據流量的爆炸式增長也意味著對硅光子芯片可以處理的數據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了問題，集成激光器一次只能產生一種顏色的激光。Bowers說：“為此，您可能實際上需要在該芯片中使用五十個或更多的激光器。” 并且使用五十個激光器昂貴且功率低效。而且，噪聲和熱量會導致每個激光器產生的光的頻率發生波動。最后，使用多個激光器，頻率甚至可以相互漂移，就像早期的廣播電臺一樣。

在光學頻率梳技術中可以找到一種解決方案，該技術是等距間隔的激光頻率的集合。繪制頻率可以發現類似于發梳的尖峰和下垂-因此得名。

產生梳子曾經需要龐大且昂貴的設備，但是現在可以使用最近出現的基于微諧振器的孤子頻率梳來管理，這種孤子頻率梳是基于CMOS光子芯片的小型化頻率梳源。合作團隊使用這種“集成光子學”方法，開發了世界上最小的梳狀發生器，從根本上解決了所有這些問題。

該系統相當簡單，由市售的反饋激光器和氮化硅光子芯片組成。鮑爾斯說：“我們擁有的是一種光源，它可以用一個激光器和一個芯片產生所有這些顏色。” “這就是重要的意義。”

結構簡單意味著體積小，功耗低，成本低。現在，整個裝置可以放在比火柴盒小的包裝中，火柴盒的總價格和功耗都比以前的系統小。

新技術的操作也更加方便。以前，產生穩定的梳子是一項棘手的工作。研究人員必須正確調整頻率和功率才能產生相干的孤子梳，即使這樣，也不能保證每次都能產生一個梳。加州理工學院應用物理和信息科學與技術教授凱里·瓦哈拉說：“新方法使打開過程就像打開室內照明燈一樣容易。”

EPFL物理學教授，實驗室，光子學和量子測量（LPQM）負責人Tobias J. Kippenberg補充說：“結果令人矚目的是完全的光子集成和可重復性，可以按需產生頻率梳。”他的實驗室在十多年前首次觀察到微梳。

EPFL團隊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，并且是孤子梳產生的關鍵組件。低損耗的氮化硅光子技術已經通過實驗室初創公司LIGENTEC進行了商業化。

所有這些改進的背后在于一個有趣的物理現象：當泵浦激光器和諧振器集成在一起時，它們的相互作用形成了一個高度耦合的系統，該系統具有自注入鎖定功能，并同時生成“孤子”，即在內部無限循環的脈沖諧振器并產生光頻率梳。

新技術有望對光子學產生廣泛的影響。除了滿足通信相關產品中多色光源的需求外，它還在許多應用中帶來了許多新機會。一個例子是光鐘，它提供了世界上最精確的時間標準，并且被用于從導航到測量物理常數的許多應用中。

鮑爾斯說：“過去，光學時鐘既大，又重又昂貴。” “世界上只有少數幾個產品。借助集成的光子學，我們可以制造出可以放在手表中的東西，而您可以負擔得起。”

國防高級研究計劃局的項目經理戈登·基勒說：“低噪聲集成光學微梳將實現新一代的光學時鐘，通信和傳感器。” “我們應該看到這種方法帶來了更緊湊，更靈敏的GPS接收器。”

總而言之，光子學的前景一片光明。Bowers說：“這是將頻率梳技術從實驗室轉移到現實世界的關鍵步驟。” “它將改變光子學和我們的日常生活。”
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