格拉斯哥大學（University of Glasgow）研究團隊近日在 《Science Advances》發表最新成果，開發出全球首款單晶片整合窄線寬雷射（MOIL-TISE），線寬僅 983 Hz，刷新半導體雷射的性能紀錄。
隨著資料中心對頻寬需求不斷增加，光通訊正從 800G 快速推進到 1.6T 甚至 3.2T。在高速相干光傳輸中，雷射光源是最關鍵的元件之一。光纖系統就像電台收音，雷射是「電台頻率」。頻率不準或飄移，聽到的就是雜音；雷射若不穩定，傳輸數據也會失真。因此，線寬大小直接決定了訊號的清晰度與穩定性。那為什麼線寬要做得越窄呢？因為線寬越窄，訊號就越乾淨穩定，不僅能承載更多資訊，也能傳得更遠，錯誤率更低。
目前業界常見的光通訊雷射包含 DFB（分散式回饋雷射）與 EML（電吸收調變雷射器），廣泛用於資料中心的可插拔光模組；更高階的 ECL（外腔雷射）則能壓到 kHz 級線寬，應用於長距離相干光通訊，但需要龐大的外部腔體。以輝達為例，其 GPU 伺服器透過 InfiniBand 高速互連技術搭配 CPO（共封裝光學） 模組連接，裡面仍依賴 DFB/EML 或外掛式雷射源（ELS），並靠 DSP（數位訊號處理器）去修正雜訊。這些技術成熟，但缺點是模組體積大、耗能高，不僅增加散熱難度，也推升了成本。
相較之下，格拉斯哥大學提出的 MOIL-TISE 單晶片雷射走出了一條新路。研究團隊在 InP 基板上，首次將雷射腔體（TISE）與微環共振器（MRR）單晶片整合，實現 Hz 級超窄線寬，把原本需要外部模組才能做到的穩定化功能，濃縮在僅 1000 μm × 0.4 μm 的單晶片雷射結構中，比頭髮還要細上百倍。這個設計讓雷射線寬從 MHz 級直接壓縮到 983 Hz，比現有 DFB/EML 穩定上千倍，性能甚至逼近高階 ECL，但體積更小、製程也更簡單。
▲ MOIL-TISE 單晶片雷射結構示意圖：中央的拓撲介面腔體（TISE cavity） 穩定光場，上方微環共振器 (MRR, 半徑 150 μm) 回收光子並實現光注入鎖定。（Source：Science Advances）
此項技術被視為推動光通訊與量子應用的重要突破。在資料中心領域，超窄線寬雷射能讓 1.6T、3.2T 相干光模組（Coherent Optical Module）更容易落地，減少數位訊號處理（DSP ）運算負擔並提升頻譜效率；在量子通訊（QKD） 中，則能支援高速相位切換，打造不可破解的量子加密系統。
目前這項技術還在實驗階段，尚未進入量產，但因為製程與現有半導體製程相容，未來具備商業化的潛力。如果能順利落地，有機會取代現有 DFB/EML 與部分外腔雷射，成為新一代光模組與量子加密系統的發展趨勢。
（首圖來源：pixabay）
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