微梳系统光子集成芯片新突破， 未来可商业化

多年来，美国加州大学圣巴巴拉分校的John Bowers教授一直致力于国防高级研究计划局的直接芯片数字光学合成器（DODOS）项目。他与加州理工学院的Kerry Valhala和瑞士联邦理工学院的Tobias Kippenberg团队一起，开发了首个可商业化扩展的集成芯片半导体激光器和谐振器，能够生产激光“微梳”（microcomb）。

由耦合激光器和谐振器产生的“微梳”是一系列等间距、低噪声、高稳定性的激光线，每一条线都能够传输数据，通过这种方式可以提高大型集成电路的容量和效率。去年，团队的研究人员在《科学》杂志上发表了题为《硅上非均匀集成的激光孤立子微梳》论文，系统阐述了研究成果。

现在将近一年后，《自然》杂志上的一篇论文《微梳驱动的硅光子系统》验证了Bowers教授先前对集成激光谐振器技术的研究。他说：“这篇论文将我们早期开发的集成梳状技术与用于传输和接收超大容量数据流的PIC（光子集成电路）技术连接了起来。”

通过将微梳源与硅基光子芯片相结合实现的几个集成光电系统（数据传输、微波光子信号处理、
光束控制和光子计算）概念图。通过硅上III-V 光子集成，这些芯片有望包含一些基本功能例如，激光微梳生成、

无源和有源光学元件，以及支持信号处理和系统控制的电子设备

由北京大学的王兴军教授指导的两位作者，加上Bowers和他实验室的研究人员，在论文中描述了“第一个基于集成芯片级微梳的光子数据链路”。Bowers认为，这在光子学和电子学融合方面达成的一个里程碑。

Bowers解释说，一段时间以来，互联网上的远程数据传输都是通过光纤实现的，这使得能够以极低的损耗和极低的功耗远距离传输大量数据。以前，光电子和电子之间的接口一直在电路板的边缘，但现在它可以在封装内。
这是因为电子芯片收发数据量正在快速增长。当前最先进的芯片输入输出的数据量高达每秒51TB，是现代台式计算机每秒10Gbps的5000倍。

Bowers研究项目小组的研究员常林表示：“从高级交换芯片输出的数据量是从计算机处理器输出数据量的5000倍。移动这么多数据的唯一方法是通过光学方式进行，因此光学元件位于交换机内。”

他补充道，移动如此多的数据需要许多激光器，这是不现实的，因为激光器相对较大必须严格控制，或者需要一种不同的技术。激光微梳技术允许单个激光器通过微梳驱动数百个波长，每个波长都可以传输数据。这就是世界的发展方向。

Bowers解释道：“这个行业呈线性的发展趋势，每个人都有计划。当前，数据传输量是每秒3.2Tb、6.4Tb、12.5Tb和25.6Tb。现在，我们实现了每秒51Tb的数据传输。两年后，我们将达到每秒102Tb。因此必须在两年内拥有两倍的传输量，在四年内拥有四倍的传输量。这就是为什么激光谐振器技术的可扩展性如此重要。”

近年来，芯片级的光梳（微腔光梳）由于尺寸紧凑、成本低廉而极大拓展了应用范围。然而，大部分基于微腔光梳的系统级应用中，仅有微腔本身为集成器件，其余的组成部分（包括泵浦激光器、无源/有源处理器件、电路控制单元）均未实现集成，在成本、尺寸和功耗上极大地削弱了微腔光梳芯片化带来的优势，因此，集成光梳系统层面的集成对光频梳技术的实用化和普及化具有重大意义。

王兴军领导的研究团队通过直接由半导体激光器泵浦集成微腔光频梳，给硅基光电子集成芯片提供了所需的光源大脑，结合硅基光电子集成技术工业上成熟可靠的集成解决方案，完成大规模集成系统的高效并行化。

利用这种高集成度的系统，实现T比特速率微通信和亚GHz微波光子信号处理，提出高密度多维复用的微通信和微处理芯片级集成系统的全新架构，开创了下一代多维硅光集成微系统子学科的发展。相关研究成果有望直接应用于数据中心、5/6G通信、自动驾驶、光计算等领域，为下一代片上光电子信息系统提供了全新的研究范式和发展方向。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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