北大王興軍團隊攻克光芯片難題，登上Nature！

【導讀】

集成光子學（Integrated photonics）正在深刻影響數據通信和信號處理。其中，克爾微腔光頻梳（Kerr microcombs）提供了由微諧振器產生的相互相干和等距的光學頻率線。雖然微腔光梳（microcombs，下文簡稱為微梳）的集成取得了巨大進展，但在幾乎所有利用該技術的系統級演示中，無源微梳發生器仍然是唯一的集成組件，而系統的其余部分通常依賴于笨重、昂貴且耗電的設備。硅光子學（SiPh）技術為小型化光學系統提供了一種可擴展且低成本的解決方案，這得益于與互補金屬-氧化物-半導體（metal-oxide-semiconductor, CMOS）的兼容性制備。然而，基于鑄造的絕緣層上硅光子集成電路（photonic integrated circuits, PICs）缺少關鍵性的多波長光源。在該系統中增加通道數，需要大量的設計工作，同時通道線之間缺乏相互相干性限制了許多應用。盡管將這兩種技術結合有助于解決上述的問題，但是目前這種組合仍然難以捉摸。此外，需要高性能分立光學和電子元件的梳啟動和穩定技術，這顯著增加了操作復雜性和系統尺寸。

【成果掠影】

近日，北京大學王興軍教授和美國加州大學圣巴巴拉分校John E. Bowers（共同通訊作者）等人報道了由芯上分布式反饋激光器（distributed feedback laser, DFB）直接泵浦的絕緣層上鋁砷化鎵（AlGaAsOI）微諧振器，生成了一個暗脈微梳，其具有最先進的效率、操作簡單和長期穩定性。這種相干梳用于驅動基于CMOS鑄造的SiPh引擎，該引擎包含多種功能，應用廣泛。在這種方法的基礎上，針對兩個主要的集成光子學領域進行了系統級演示。作為通信演示，作者展示了一種基于微梳SiPh收發器的數據鏈路，具有100-Gbps脈沖幅度四級調制（pulse-amplitude four-level modulation, PAM4）傳輸和2-Tbps數據中心總速率。對于微波光子學，通過片上多抽頭延遲線處理方案展示了具有數十微秒級重構速度的緊湊型微波濾波器，其可調帶寬和靈活的中心頻率能夠支持第五代（5G）、雷達和片上信號處理。該工作為全面集成廣泛的光學系統鋪平了道路，并將顯著加速下一代集成光子學的微梳SiPh技術的發展。研究成果以題為“microcomb-driven silicon photonic systems”發布在國際著名期刊Nature上。

【核心創新】

1、制成的暗脈沖微梳，具有最先進的效率、操作簡單和長期穩定性。

2、基于微梳-SiPh收發器的數據鏈路，具有100-Gbps脈沖幅度四級調制（PAM4）傳輸和2-Tbps數據中心總速率。

【數據概覽】

圖1、 基于microcomb的SiPh光電系統 ?2022 Springer Nature Limited

圖2 、梳的產生和基本特征 ?2022 Springer Nature Limited
（a）InP DFB激光芯片和AlGaAsOI微諧振器的光學圖像；

（b）在1552?nm附近調諧跨共振的泵浦頻率時的歸一化梳功率；

（c-d）雙FSR暗脈沖光譜和由商業外部激光器或DFB激光器芯片泵浦的“turnkey”行為；

（e）自由運行梳的長期穩定性；

（f-k）耗盡型Si MZM、TiN微加熱器、Si螺旋波導延遲線、垂直外延Ge PD、微環濾波器和CMOS驅動器等器件的光學圖像和主要性能。

圖3、傳輸結果 ?2022 Springer Nature Limited
（a）基于微梳的數據傳輸設置示意圖；

（b）在注入SiPh T/R芯片之前，C波段中的20線梳光譜作為多波長源；

（c）通過SiPh調制器以不同符號率調制后所選通道的典型圖；

（d）每個梳線的BER；

（e）比較Ge-Si PD和商用PD隨接收功率變化的BER與接收功率。

圖4、可重構MPF結果 ?2022 Springer Nature Limited
（a）基于微梳的可重構MPF的設置示意圖；

（b）用于BW編程的Gaussian-apodization梳線光譜；

（c）具有各種通帶帶寬的MPF的RF濾波響應；

（d）寬帶射頻信號射頻濾波的概念驗證演示；

（e-f）具有各種FSR的MPF的光譜和相應的RF響應；

（g）復雜雙通道射頻信號射頻濾波的概念驗證演示。

【成果啟示】

綜上所述，通過優化集成設備或采用卓越的信號處理技術，可以進一步提高這些系統的性能。額外的復用技術和更高的調制格式可用于提高傳輸容量。通過將工作波長擴大到L波段和S波段，數據速率可以進一步擴大到>10 Tbps。對于RF濾波器，通過增加有限脈沖響應配置中使用的分頻通道數量，即MRA的擴展，可以獲得更窄的濾波帶寬（低至亞千兆赫茲）和更高的調諧分辨率。作者預計未來會整合更多集成功能，最終形成完全集成的基于微梳的光電系統。考慮到這些技術提供的多功能性，微梳驅動的SiPh系統將為廣泛的光電子應用提供大規模生產的低成本解決方案，從而促進下一代集成光子學。

文獻鏈接：Microcomb-driven silicon photonic systems. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04579-3.

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.