中科院新型光頻梳光源，讓光信號傳輸又快又節能

光頻梳是高速光通信的基石。通過它實現并行數據傳輸，為破解傳統光通信技術面臨的帶寬瓶頸和功耗難題提供了可能方案。然而，將光頻梳推向大規模實用化仍是業界面臨的一大挑戰。

中國科學院半導體研究所陳思銘團隊與其合作者，成功研制出一款可在140°C的極端溫度下穩定工作的100GHz量子點光頻梳激光器，為未來Tbps量級的光互連提供了至關重要的光源解決方案。

▲量子點鎖模光頻梳示意圖及性能展示

能耗挑戰下的光源需求

當前數據中心內部仍普遍依靠銅線傳輸電信號，電子在高速傳輸中產生巨大阻力與熱量，隨著人工智能的發展，其算力需求正以指數級攀升，其背后是驚人的能源消耗。

為構建新一代更快、更節能的光互連技術，業界正全力研發一種名為“共封裝光學”（CPO）的革新性架構。有望將系統功耗降低30%至50%，并極大提升帶寬密度。

然而，CPO技術成功的關鍵，在于緊鄰著計算芯片的光學引擎——它必須具備極致的耐高溫性、高效率、緊湊性與高可靠性，這是傳統光源無法企及的嚴苛標準。

光頻梳就像一把精密的“光梳子”，能同時產生數十乃至上百個穩定的光信道，相當于將單車道公路拓展為多個“車道”并跑，每條信道不僅頻率精準，相位也高度同步，從而在大幅提升傳輸效率和穩定性的同時，顯著縮小設備體積。

優質的光頻梳還能覆蓋很寬的頻率范圍，滿足不同數據的傳輸需求。但要讓這把“光梳子”在芯片旁的“火爐”中穩定工作，并兼具超寬帶寬與超長壽命，實現難度極大。

CPO理想光源的突破

面對挑戰，團隊從材料、工藝到結構進行了系統性創新，研制出一種基于量子點材料的光頻梳激光器。

在材料層面，激光器采用量子點這一納米級半導體晶體作為增益介質。由于電子在其中受到三維空間的量子限制，其能級結構如同分立的原子，從而賦予了激光器卓越的溫度穩定性與抗光反饋能力。

在工藝層面，針對傳統n型或p型單種摻雜技術中低功耗與高耐熱性難以兼顧的矛盾，團隊創新性地采用“共摻雜”策略，巧妙地實現了二者的平衡與統一。

在結構層面，團隊采用了“碰撞脈沖鎖模”設計，通過光脈沖在腔內精確對撞直接倍增頻率，在保證高輸出功率的同時，滿足了高速傳輸所需的100GHz寬信道間隔。

團隊研制的光頻梳激光器在工作溫度、傳輸容量和可靠性方面均取得突破，展現出優越的綜合性能：

在室溫（25°C）下，激光器實現了14.312nm的3dB光學帶寬，可產生26個并行信道，每個信道均可承載128Gb/s的PAM-4調制信號；在高達140°C的溫度下，該器件仍保持穩定鎖模；在85°C的工業級標準高溫下，關鍵性能幾乎無衰減，仍能支持22個信道穩定工作，實現總量2.816Tb/s的數據傳輸。

同時，該器件傳輸每比特數據的能耗在25°C和85°C下分別低至0.394pJ和0.532pJ。通過在85°C高溫下進行超過1500小時的加速老化實驗推算，其平均無故障時間長達207年，完全滿足嚴苛的商業應用要求。

該器件利用量子點材料對光反饋不敏感的特性，省去了傳統系統中昂貴且笨重的光隔離器，從而大幅減輕了系統在尺寸、重量和成本上的壓力。

賦能未來

該項工作不僅在實驗上驗證了在單一芯片上同時實現超高寬帶、耐高溫、長壽命和高集成度量子點光頻梳的可行性，更為下一代數據中心與AI算力集群的光互連系統，提供了一條性能強大且兼具高經濟效益的光源實現路徑。

未來，隨著這項技術的成熟和應用，我們的數據傳輸將變得更快、更穩定、更節能，為人工智能、云計算等前沿領域的發展注入源源不斷的強勁動力。