光梳，又叫光學頻率梳

因其用途廣泛

一直是國際光學界的重要研究熱點

5月18日

北京大學王興軍教授課題組

和加州大學圣芭芭拉分校

John E. Bowers教授課題組

在Nature雜志在線發(fā)表文章

Microcomb-driven silicon photonic systems

在世界上首次報道了

由集成微腔光梳驅(qū)動的

新型硅基光電子片上集成系統(tǒng)

研究團隊歷時3年，協(xié)同攻關

終于攻克了這一世界性難題

這項重大的研究成果

對我們的生活有什么幫助

北大團隊又是如何取得突破？

讓我們和王興軍教授

展開一場對話吧！

集成微腔光梳驅(qū)動的硅基集成光電子片上系統(tǒng)圖

此項研究的領域背景是怎樣的？

光梳，又叫光學頻率梳，因其用途廣泛，一直以來都是國際光學界的重要研究熱點。美國國家標準與技木研究院John Lewis Hall教授和德國馬普量子光學所的Theodor H?nsch教授因在光梳方面的杰出貢獻，獲得了2005年諾貝爾物理學獎。而近年來芯片級的光梳（微腔光梳）由于緊湊的尺寸和低廉的成本極大拓展了其應用范圍。

然而，大部分基于微腔光梳的系統(tǒng)級應用中，僅有微腔本身為集成器件，其余的組成部分（包括泵浦激光器、無源/有源處理器件、電路控制單元）均未實現(xiàn)集成，在成本、尺寸和功耗上極大地削弱了微腔光梳芯片化帶來的優(yōu)勢，因此，集成光梳系統(tǒng)層面的集成對光頻梳技術的實用化和普及化具有重大意義。

與此同時，近二十年來，硅基光電子集成芯片技術（硅光）借助成熟的CMOS工藝，可大規(guī)模集成傳統(tǒng)光學系統(tǒng)所需的功能器件，極大提升片上信息傳輸和處理的速度和容量，可為下一代數(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)、高性能計算、自動駕駛等領域帶來變革型突破，是公認的現(xiàn)代信息系統(tǒng)的功能升級和產(chǎn)業(yè)布局的核心技術，是世界光電子領域競爭的主陣地。目前，隨著應用市場的拓展和系統(tǒng)規(guī)模的大幅度提升，硅基光電子片上系統(tǒng)架構正向多通道和高并行的架構演進，隨之而來的便是日趨增長的對低成本和高穩(wěn)定性并行光源的需求。然而，由于硅材料本身不發(fā)光，硅基激光器的實現(xiàn)一直是世界性難題，在硅基光電子芯片上研發(fā)出多路并行的硅基光源更被公認為是該領域最大的瓶頸之一。

北大團隊如何取得突破？

研究團隊前期圍繞高效率集成微腔光梳光源開展了長期合作研究，基于絕緣體上鋁鎵砷（AlGaAsOI）這一高非線性集成平臺，已實現(xiàn)了超低功率閾值的光學參量振蕩【Nature Communications 11, 1331 (2020)】。此次，研究團隊首次報道了在AlGaAsOI平臺上的室溫下暗孤子相干光梳產(chǎn)生，作為集成系統(tǒng)并行光源的重要組成部分，其激光泵浦功率低于10mW，可實現(xiàn)該光梳光源的片上泵浦和啟鑰式開關(圖2)。同時，鋁鎵砷材料的高非線性和高熱光效應使得其在正常工作下具有較長的暗孤子存在頻率范圍(>10GHz)，因此具有極佳的工作穩(wěn)定性(圖2)。上述特性使得研究團隊在不借助復雜外部反饋設備的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定高效的相干光梳產(chǎn)生，為高集成度的系統(tǒng)應用實現(xiàn)提供了良好基礎。

(a) 泵浦激光器芯片(左)與微腔芯片(右)顯微鏡照片。(b)光梳產(chǎn)生的頻率范圍測試圖。(c)外腔激光器模塊和(d)DFB激光器芯片泵浦光梳產(chǎn)生及啟鑰開關測試結果。(e)光梳長時穩(wěn)定性示意圖

為配合集成微腔光梳實現(xiàn)大規(guī)模片上數(shù)據(jù)傳輸與靈活的信號處理，研究團隊基于此前十余年硅基光電子器件設計制備基礎，在片上實現(xiàn)了通信波段內(nèi)從信號加載、傳輸?shù)浇邮盏某商赘咝阅苡性?無源器件，包括電光調(diào)制器、光電探測器、波分復用器、光濾波器、光延時線、光分束器、耦合器等。以這些核心功能器件為基礎，研究團隊分別針對大容量數(shù)據(jù)傳輸和微波光子信號處理兩類目前被廣泛研究的光電系統(tǒng)，進行了原型機的設計和驗證。q

此項研究成果如何運用在生活中？

在集成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，集成微腔光梳光源可作為波分復用信號傳輸方案的并行載波，實現(xiàn)多通道大容量的數(shù)據(jù)傳輸。結合鋁鎵砷微腔光梳與硅基電光-光電轉(zhuǎn)換器件，在C波段內(nèi)搭建了20載波的高集成度數(shù)據(jù)鏈路。面向數(shù)據(jù)中心通信應用，成功實現(xiàn)了2km內(nèi)單通道100Gbps，總速率2Tbps的PAM4信號傳輸，采用商用測試系統(tǒng)表征誤碼率均低于SD-FEC門限。未來配合光梳整形，片上半導體放大等技術提升光源信噪比和功率，同時配合電光-光電轉(zhuǎn)換器件的帶寬優(yōu)化，空分復用技術和高階調(diào)制方案，有望實現(xiàn)十萬億比特每秒以上(>10Tbps)的大容量數(shù)據(jù)傳輸，這對下一代數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、高性能計算等場景大有裨益。

(a)光梳型硅基數(shù)據(jù)鏈路示意圖 (b)通信波段內(nèi)放大后載波梳齒 (c)單通道100Gbps PAM4眼圖

光梳梳齒等頻率間隔的特性使得其在作為系統(tǒng)多波長光源之外，也可以提供靈活的信號處理方案。研究團隊將光梳梳齒作為有限沖擊響應濾波系統(tǒng)的抽頭，利用硅基芯片實現(xiàn)后續(xù)模擬信號加載，抽頭系數(shù)加載及通道延時，實現(xiàn)了可重構的集成微波光子濾波器。通過對濾波器抽頭相應通道的微環(huán)濾波器進行熱光調(diào)諧，可實現(xiàn)靈活的濾波通帶帶寬和中心波長的靈活調(diào)節(jié)。同時，片上系統(tǒng)對實際微波信號的濾波能力也了有效驗證，結果顯示帶寬調(diào)節(jié)精度可達亞GHz，同時對噪聲信號可實現(xiàn)接近20dB的抑制，驗證了其靈活高效的信號處理能力。該系統(tǒng)架構有望擴展至信道化、任意波形產(chǎn)生及瞬時測頻等多個微波光子系統(tǒng)應用，有效拓展系統(tǒng)處理帶寬，提高調(diào)諧能力，同時在5/6G通信，雷達偵測等領域發(fā)揮重要作用。

(a)光梳型微波光子濾波實驗示意圖 (b)梳齒高斯整形 (c)高斯型帶通濾波波形 (d)實際寬譜信號濾波

研究團隊歷時三年協(xié)同攻關，終于攻克了硅基光電子片上系統(tǒng)架構中在硅基光電子芯片上研發(fā)出多路并行的硅基光源這一世界難題。

利用這種高集成度的系統(tǒng)，實現(xiàn)T比特速率微通信和亞GHz微波光子信號處理，提出高密度多維復用的微通信和微處理芯片級集成系統(tǒng)的全新架構，開創(chuàng)了下一代多維硅光集成微系統(tǒng)子學科的發(fā)展。相關研究成果有望直接應用于數(shù)據(jù)中心、5/6G通信、自動駕駛、光計算等領域，為下一代片上光電子信息系統(tǒng)提供了全新的研究范式和發(fā)展方向。

該論文的共同第一作者為北京大學電子學院博新計劃博士后舒浩文、加州大學圣塔巴巴拉分校常林博士（目前已任職于北京大學電子學院，任助理教授、研究員，獨立PI并組建課題組）、北京大學電子學院17級博士研究生陶源盛、19級博士研究生沈碧濤。王興軍教授與加州大學圣塔巴巴拉分校John E. Bowers教授為論文的共同通訊作者。鵬城實驗室余少華院士參與本工作并給予了重要指導。主要合作者還包括加州大學圣塔巴巴拉分校謝衛(wèi)強博士（現(xiàn)為上海交通大學副教授）、博士研究生Andrew Netherton，北京大學電子學院博士研究生金明、陶子涵、張緒光，博士后陳睿軒、白博文、秦軍（現(xiàn)為北京信息科技大學副教授）。該工作由北京大學電子學院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室作為第一單位完成，也是和鵬城實驗室合作的重要成果，是鵬城實驗室電路與系統(tǒng)部重大攻關任務核心內(nèi)容之一。