北大王兴军团队攻克光芯片难题，登上Nature！

【导读】

集成光子学（Integrated photonics）正在深刻影响数据通信和信号处理。其中，克尔微腔光频梳（Kerr microcombs）提供了由微谐振器产生的相互相干和等距的光学频率线。虽然微腔光梳（microcombs，下文简称为微梳）的集成取得了巨大进展，但在几乎所有利用该技术的系统级演示中，无源微梳发生器仍然是唯一的集成组件，而系统的其余部分通常依赖于笨重、昂贵且耗电的设备。硅光子学（SiPh）技术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，这得益于与互补金属-氧化物-半导体（metal-oxide-semiconductor, CMOS）的兼容性制备。然而，基于铸造的绝缘层上硅光子集成电路（photonic integrated circuits, PICs）缺少关键性的多波长光源。在该系统中增加通道数，需要大量的设计工作，同时通道线之间缺乏相互相干性限制了许多应用。尽管将这两种技术结合有助于解决上述的问题，但是目前这种组合仍然难以捉摸。此外，需要高性能分立光学和电子元件的梳启动和稳定技术，这显著增加了操作复杂性和系统尺寸。

【成果掠影】

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（共同通讯作者）等人报道了由芯上分布式反馈激光器（distributed feedback laser, DFB）直接泵浦的绝缘层上铝砷化镓（AlGaAsOI）微谐振器，生成了一个暗脉微梳，其具有最先进的效率、操作简单和长期稳定性。这种相干梳用于驱动基于CMOS铸造的SiPh引擎，该引擎包含多种功能，应用广泛。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。作为通信演示，作者展示了一种基于微梳SiPh收发器的数据链路，具有100-Gbps脉冲幅度四级调制（pulse-amplitude four-level modulation, PAM4）传输和2-Tbps数据中心总速率。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。该工作为全面集成广泛的光学系统铺平了道路，并将显着加速下一代集成光子学的微梳SiPh技术的发展。研究成果以题为“microcomb-driven silicon photonic systems”发布在国际著名期刊Nature上。

【核心创新】

1、制成的暗脉冲微梳，具有最先进的效率、操作简单和长期稳定性。

2、基于微梳-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。

【数据概览】

图1、 基于microcomb的SiPh光电系统 ©2022 Springer Nature Limited

图2 、梳的产生和基本特征 ©2022 Springer Nature Limited
（a）InP DFB激光芯片和AlGaAsOI微谐振器的光学图像；

（b）在1552 nm附近调谐跨共振的泵浦频率时的归一化梳功率；

（c-d）双FSR暗脉冲光谱和由商业外部激光器或DFB激光器芯片泵浦的“turnkey”行为；

（e）自由运行梳的长期稳定性；

（f-k）耗尽型Si MZM、TiN微加热器、Si螺旋波导延迟线、垂直外延Ge PD、微环滤波器和CMOS驱动器等器件的光学图像和主要性能。

图3、传输结果 ©2022 Springer Nature Limited
（a）基于微梳的数据传输设置示意图；

（b）在注入SiPh T/R芯片之前，C波段中的20线梳光谱作为多波长源；

（c）通过SiPh调制器以不同符号率调制后所选通道的典型图；

（d）每个梳线的BER；

（e）比较Ge-Si PD和商用PD随接收功率变化的BER与接收功率。

图4、可重构MPF结果 ©2022 Springer Nature Limited
（a）基于微梳的可重构MPF的设置示意图；

（b）用于BW编程的Gaussian-apodization梳线光谱；

（c）具有各种通带带宽的MPF的RF滤波响应；

（d）宽带射频信号射频滤波的概念验证演示；

（e-f）具有各种FSR的MPF的光谱和相应的RF响应；

（g）复杂双通道射频信号射频滤波的概念验证演示。

【成果启示】

综上所述，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。额外的复用技术和更高的调制格式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。对于RF滤波器，通过增加有限脉冲响应配置中使用的分频通道数量，即MRA的扩展，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。作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。考虑到这些技术提供的多功能性，微梳驱动的SiPh系统将为广泛的光电子应用提供大规模生产的低成本解决方案，从而促进下一代集成光子学。

文献链接：Microcomb-driven silicon photonic systems. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04579-3.

本文由CQR编译。

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