Nature：北大王兴军团队攻克光芯片难题！一e测试

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Nature：北大王兴军团队攻克光芯片难题！

2022-06-01 10:51:32 0 660

一、研究背景

集成光子学正在深刻影响数据通信和信号处理。过去十年的一个关键发展是，克尔微腔光频梳的制备，其可提供由微谐振器产生的相互相干和等距的光学频率线。随着最近实现的各种基于微腔光梳的光电系统，这些集成光源有望将集成光子学的应用空间扩展到更广泛的范围。然而，尽管微腔光梳集成取得了巨大进步，但在几乎所有利用微腔光梳技术的系统演示中，无源梳状发生器仍然是唯一的集成组件。系统的其余部分，包括梳状泵浦激光器、无源和有源光学元件以及配套电子设备，通常依赖于笨重、昂贵和耗电的设备，从而削弱了集成光子学的优势。相比之下，硅光子学 (SiPh) 技术的进步为小型化光学系统提供了一种可扩展且低成本的解决方案，这得益于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 兼容制备。这些“光子引擎”已在数据互连中商业化，并广泛应用于其他领域。然而，基于代工的绝缘体上硅 (SOI) 光子集成电路 (PIC) 缺少的一个关键要素是多波长光源。例如，当前最先进的光子收发器模块包含一个用于波分复用 (WDM) 的八通道分布式反馈激光器 (DFB) 阵列。在这样的系统中增加通道数需要大量的设计工作，例如线间间距稳定和增加装配工作量。此外，通道线之间缺乏相互相干性限制了许多应用，例如精确的时频计量。

尽管结合这两种技术对于解决上述双方的问题至关重要，但直到现在，结合方式仍然无法确定。以前，虽然微腔光梳和其他光子组件的组合在光学计算、原子钟和合成器系统中显示出潜力，但这些集成技术通常依赖于不适合大批量生产的专门制造工艺。此外，梳启动和稳定技术，这需要高性能的分立光学和电子元件，显著增加了操作复杂性和系统尺寸。混合或异质激光-微梳集成以简化的方式实现了片上光学频率梳生成，但这些方案增加了处理的复杂性。这些困难，以及系统操作中多通道匹配和其他预处理的额外支出，迄今为止阻碍了功能性激光微梳系统的实施。

二、研究成果

近日,北京大学王兴军教授和美国加州大学圣巴巴拉分校John E. Bowers等人在结合这两种基本技术方面迈出了关键一步。使用可直接由片上分布式反馈激光器（distributed feedback laser, DFB）泵浦的绝缘体上铝砷化镓微谐振器，生成暗脉冲微梳，其具有最先进的效率，操作简单和长久稳定性。这种相干梳被用于驱动基于成熟的CMOS 代工的 SiPh 引擎，该引擎包含多种功能，可用于广泛的应用。在这种方法的基础上，针对两个主要的集成光子学领域进行了系统级演示。(1) 作为通信演示，展示了一种基于微腔光梳SiPh 收发器的数据链路，具有 100-Gbps 脉冲幅度四级调制 (PAM4) 传输和 2-Tbps 数据中心总速率。（2）对于微波光子学，通过片上多抽头延迟线处理方案展示了具有数十微秒级重构速度的紧凑型微波滤波器，其可调带宽和灵活的中心频率，能够支持第五代（5G）、雷达和片上信号处理。这项工作为全面集成广泛的光学系统铺平了道路，并将加速下一代集成光子学的微梳和 SiPh 技术的扩散。相关研究工作以“Microcomb-driven silicon photonic systems”为题发表在顶级期刊《Nature》上。

三、图文速递

图1. 基于微腔光梳的SiPh光电子系统

图2. 光梳的生成和基本特征

图3. 传输结果

图4. 可重构MPF结果

四、结论与展望

通过优化集成设备或采用卓越的信号处理技术，可以进一步提高这些系统的性能。额外的复用技术（例如空分复用和偏振分复用）和更高的调制格式（例如 PAM6 和 PAM8）可用于提高传输容量。通过将工作波长扩大到 L 波段和 S 波段，数据速率可以进一步扩大到 >10 Tbps。DFB 泵浦集成梳状源的性能主要受限于自由运行的 DFB 激光器相对较高的本底噪声，这会降低光信噪比（OSNR）。对于射频滤波器，通过增加有限脉冲响应配置中使用的抽头通道数量，即扩展 MRA，可以获得更窄的滤波带宽（低至亚千兆赫兹）和更高的调谐分辨率。研究者预计未来会整合更多集成功能，最终形成完全集成的基于微梳的光电系统。

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