一束激光曾占滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)室，如今被科學(xué)家塞進(jìn)了一枚芯片

如果有人告訴你，一臺曾經(jīng)占滿整張實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺的精密設(shè)備，如今已經(jīng)被壓縮進(jìn)了一枚只有火柴頭大小的芯片，你會不會覺得這是天方夜譚。但這正是最近發(fā)生的真實(shí)故事。來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上宣布，他們首次成功地將實(shí)驗(yàn)室級別的飛秒激光器完整集成到了一枚光子芯片上，并且實(shí)現(xiàn)了幾乎媲美傳統(tǒng)大型設(shè)備的性能表現(xiàn)。研究負(fù)責(zé)人甚至用了一個(gè)極為鄭重的詞來形容這項(xiàng)成果，稱它是集成光子學(xué)領(lǐng)域二十多年來一直在追尋的圣杯。這怎么可能不讓整個(gè)光學(xué)界為之震動。

我們都知道，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)歷過一次決定性的轉(zhuǎn)折，那就是晶體管從實(shí)驗(yàn)室走向了集成電路，從此開啟了整個(gè)信息時(shí)代。而這一次飛秒激光器的芯片化突破，很可能正在復(fù)刻同樣的歷史軌跡。它的意義并不僅僅在于把設(shè)備做小了這么簡單，而是意味著一整套曾經(jīng)只屬于頂級實(shí)驗(yàn)室的超快光學(xué)能力，未來有可能像今天的手機(jī)芯片一樣，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的批量制造。

在理解這項(xiàng)突破之前，有必要先弄清楚，飛秒激光究竟是什么，為什么它值得科學(xué)家花費(fèi)二十多年時(shí)間去攻克這道難題。飛秒是一個(gè)極其短暫的時(shí)間單位，一飛秒相當(dāng)于十的負(fù)十五次方秒。這一次研究中實(shí)現(xiàn)的激光脈沖寬度約為一百四十七飛秒，這意味著在這樣短暫的時(shí)間內(nèi)，光即便以宇宙中最快的速度傳播，也只能前進(jìn)大約四十四微米，還不到一根頭發(fā)絲直徑的一半。正因?yàn)槊}沖如此短暫，飛秒激光才能夠充當(dāng)觀察微觀世界的高速攝影機(jī)，捕捉電子躍遷、化學(xué)鍵斷裂、分子振動這類自然界最快速的物理過程，這些運(yùn)動通常發(fā)生在飛秒甚至更短的阿秒尺度上，是人類肉眼和普通儀器完全無法企及的領(lǐng)域。

事實(shí)上，很多人每天都在間接享受著飛秒激光帶來的成果，卻幾乎沒有意識到它的存在。在精密制造領(lǐng)域，飛秒激光因?yàn)闊嵊绊憳O小，被業(yè)界稱為冷加工工具，廣泛應(yīng)用于芯片微加工、半導(dǎo)體制造以及各種超精密鉆孔任務(wù)。在醫(yī)療領(lǐng)域，飛秒激光近視手術(shù)、白內(nèi)障手術(shù)早已走進(jìn)了千家萬戶，正是因?yàn)樗拿}沖極短，幾乎不會對周圍組織造成額外損傷。而在更前沿的科研領(lǐng)域，飛秒激光還是光學(xué)頻率梳技術(shù)的核心光源之一，這項(xiàng)技術(shù)曾在2022年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，如今已經(jīng)應(yīng)用于光學(xué)原子鐘、衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)間同步等關(guān)鍵系統(tǒng)。如果將飛秒激光進(jìn)一步壓縮，甚至能夠產(chǎn)生阿秒級別的光脈沖，直接用于觀測電子運(yùn)動和化學(xué)反應(yīng)的瞬間過程，堪稱人類探索微觀世界最鋒利的一把手術(shù)刀。

既然飛秒激光的應(yīng)用如此廣泛，為什么科學(xué)家們花了二十多年時(shí)間，卻始終無法把它成功裝進(jìn)一枚小小的芯片呢。這背后其實(shí)隱藏著兩個(gè)極其棘手的物理難題。第一個(gè)難題在于功率過高。雖然飛秒激光器的平均功率聽起來并不驚人，但由于所有能量都被壓縮在極短的一百四十七飛秒內(nèi)集中釋放，其瞬間的峰值功率可以輕松達(dá)到數(shù)千瓦甚至更高。這就好比普通激光只是一支緩緩流淌的水龍頭，而飛秒激光則是一臺威力驚人的高壓水刀，能量密度完全不在一個(gè)量級上。

第二個(gè)難題則更加棘手，那就是芯片內(nèi)部極端狹窄的空間會引發(fā)嚴(yán)重的非線性光學(xué)效應(yīng)。光子芯片中的波導(dǎo)寬度通常只有一到兩微米，如此狹小的通道，一旦有高能量光脈沖強(qiáng)行通過，就會引發(fā)一系列復(fù)雜的物理現(xiàn)象，包括自相位調(diào)制、四波混頻、拉曼散射以及調(diào)制不穩(wěn)定性。這些效應(yīng)相互疊加，最終會導(dǎo)致原本整齊的激光脈沖逐漸失穩(wěn)，甚至徹底崩潰瓦解。這種情形可以想象成一條本就狹窄的河道，突然涌入一場洪水，水流不僅無法保持原有的形態(tài)，反而會因?yàn)閯×业臎_擊而變得混亂不堪。正是這樣的物理限制，在過去二十多年里，一直被公認(rèn)為集成光子學(xué)領(lǐng)域最難攻克的技術(shù)瓶頸之一。

真正令人意外的是，這一次研究團(tuán)隊(duì)并沒有另起爐灶發(fā)明全新的激光結(jié)構(gòu)，而是重新啟用了一個(gè)誕生于1998年、卻在集成光子學(xué)領(lǐng)域長期被忽視的老方案，這就是馬梅舍夫振蕩器。這一結(jié)構(gòu)最初主要應(yīng)用于光纖激光領(lǐng)域，多年來幾乎無人關(guān)注它在芯片集成方向的潛力。它的工作原理其實(shí)并不復(fù)雜，可以理解為一套精巧的自動篩選機(jī)制。整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)濾波器和一段非線性波導(dǎo)組成，當(dāng)高強(qiáng)度的激光脈沖經(jīng)過這段波導(dǎo)時(shí)，其光譜會明顯展寬，從而能夠順利通過后端的濾波器，繼續(xù)在系統(tǒng)中循環(huán)并被不斷放大。而那些低強(qiáng)度的雜散光，由于光譜變化極其微弱，會被濾波器自動阻擋在外，無法在系統(tǒng)中持續(xù)存留。經(jīng)過反復(fù)循環(huán)，整個(gè)裝置就能夠自動篩選出穩(wěn)定且高能量的飛秒脈沖，而這種設(shè)計(jì)恰恰特別適合應(yīng)對芯片內(nèi)部強(qiáng)烈的非線性環(huán)境。這也再一次印證了科學(xué)史上一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的規(guī)律，真正的突破往往并非來自全新的發(fā)明，而是來自對那些曾被忽視的舊思想，進(jìn)行重新理解和巧妙應(yīng)用。

除了巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這項(xiàng)研究在工程實(shí)現(xiàn)上同樣堪稱一次壯舉。傳統(tǒng)的飛秒激光器通常需要多塊反射鏡、多組透鏡、放大器和光纖等一系列復(fù)雜元件，光路長度往往能夠達(dá)到幾十厘米甚至數(shù)米，幾乎占滿整張光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。而在這一次研究中，科學(xué)家們將一條長達(dá)四十二厘米的激光腔，通過在芯片內(nèi)部反復(fù)折疊波導(dǎo)的方式，最終成功壓縮進(jìn)了一塊火柴頭大小的區(qū)域之內(nèi)。更值得關(guān)注的是，由于整個(gè)制造過程采用了業(yè)界已經(jīng)十分成熟的晶圓加工工藝，理論上未來一塊標(biāo)準(zhǔn)晶圓，就能夠同時(shí)批量制造出上千個(gè)這樣的超快激光器，這意味著未來的制造成本和生產(chǎn)效率都有望獲得根本性的改善。

那么，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室級別的超快激光真正實(shí)現(xiàn)了芯片化之后，這項(xiàng)技術(shù)究竟會給未來的世界帶來哪些具體的改變呢。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，曾經(jīng)只能待在實(shí)驗(yàn)室里的大型激光診斷系統(tǒng)，未來或許有望轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢噪S身攜帶的掌上檢測設(shè)備，廣泛應(yīng)用于癌癥早期篩查、血液成分分析以及各類光譜檢測任務(wù)，讓精密醫(yī)療檢測真正走進(jìn)基層醫(yī)院甚至偏遠(yuǎn)地區(qū)。在導(dǎo)航與計(jì)時(shí)領(lǐng)域，芯片級飛秒激光器有望進(jìn)一步推動光學(xué)原子鐘實(shí)現(xiàn)小型化，從而帶動衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的持續(xù)升級，甚至為未來的深空探測任務(wù)提供更加精確的時(shí)間基準(zhǔn)。

與此同時(shí)，在計(jì)算領(lǐng)域，越來越多的科學(xué)家相信，未來的信息處理方式將逐漸從純粹依賴電子，轉(zhuǎn)向電子與光子協(xié)同工作的全新模式。而實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的前提條件之一，正是需要光源本身也能夠?qū)崿F(xiàn)芯片化。如果這項(xiàng)飛秒激光芯片技術(shù)能夠進(jìn)一步成熟，整個(gè)光計(jì)算系統(tǒng)距離真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，無疑將會向前邁進(jìn)一大步。此外，在量子科技領(lǐng)域，無論是量子傳感、光量子計(jì)算，還是光量子通信，這些前沿技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都離不開穩(wěn)定而高質(zhì)量的超快光源作為基礎(chǔ)支撐，因此這項(xiàng)芯片化突破同樣具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

如果把這項(xiàng)成果放在更大的技術(shù)演進(jìn)脈絡(luò)中來看，會發(fā)現(xiàn)它其實(shí)延續(xù)著一條清晰的歷史線索。光子芯片與傳統(tǒng)電子芯片最本質(zhì)的區(qū)別，在于它處理的對象不再是電子，而是光子，信息通過微米級的波導(dǎo)進(jìn)行傳播，因此天然具備帶寬更高、發(fā)熱更低、抗電磁干擾能力更強(qiáng)等一系列顯著優(yōu)勢。目前，光子芯片技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的光互連系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)絡(luò)、激光雷達(dá)以及各類生物傳感設(shè)備之中，成為支撐現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要底層技術(shù)之一。而這一次飛秒激光器芯片化的成功，等于是為光子芯片這個(gè)大家族，補(bǔ)上了此前一直缺失的高能超快光源這塊關(guān)鍵拼圖。

回望整個(gè)信息技術(shù)的發(fā)展歷程，人類曾經(jīng)經(jīng)歷過真空管走向晶體管，再從晶體管走向集成電路的歷史性跨越，每一次尺度上的壓縮，都伴隨著一場深刻的產(chǎn)業(yè)革命。今天，當(dāng)科學(xué)家們終于找到辦法，把一臺曾經(jīng)占滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的超快激光系統(tǒng)，成功壓縮進(jìn)一枚微不足道的芯片之中，人們不禁要問，這是否會成為下一場科技革命真正意義上的起點(diǎn)。