北大团队首次联合实现微腔光频梳系统的光子集成芯片，可实现T比特速率通信

2021 年，从加州大学圣芭芭拉分校结束博后研究的常林，加入北大建立了自己的科研团队。不到一年时间，他与合作团队已经在 Nature 主刊和子刊上先后发表论文。

图 | 常林（来源：常林）

这篇论文或许可从《论语·子罕》的“逝者如斯夫，不舍昼夜”说起，它讲的是时间流逝不会因为任何事物而停止，那么时间又是怎么被测量的呢？古人观察太阳轨迹的变化记录着时间，但是这往往误差是很大的，而现代社会中时间的精准测量是十分重要的。

因此在 1967 年将国际标准时间单位中 1 秒被定义为，铯原子中两个超精细状态之间的9192631770 个振荡所需要的时间 [1]。虽然这样的微波时钟提供了惊人的时间精度，但科学家们注意到使用更加精准的光学晶格钟，哪怕从宇宙诞生之初就开始计时，计量误差也不会超过一秒。

光学晶格钟通过更高频率的光跃迁来进行时间测量，然而光的频率精确测量是十分具有挑战性的，所以光学频率梳（OFC，optical frequency comb）的诞生就是用来计算光学晶格钟的周期而开发的。

OFC 是利用锁模激光产生一系列超短激光脉冲，而这些脉冲的时间间隔都是一样的，这就构成了一把光学频率尺子，因为频率和时间的一致性，频率的精准测量也就得到了时间上的精准测量。

也正是因为这项技术，在 2005 年美国物理学家约翰·霍尔（John L. Hall）教授和德国的特奥多尔·亨施（Theodor Hänsch）教授共同获得了诺贝尔物理学奖。

近些年来，基于 OFC 的各种精密计量技术得到了人们的广泛关注和商业应用的相关探索。例如可以利用 OFC 实现更高精度的定时、同步和原子时钟网络，超低噪声微波的产生、天文光谱仪的校准、距离测量和激光测距和基于光频梳的光谱学。

尽管 OFC 可以在多个领域上突破现有的频率或时间精度上的限制，但是在集成光路（PICs，Photonic integration circuits）上实现仍然是非常困难的。主要原因是集成 OFC 技术的高度复杂性，同传统的 PIC 器件相比，它要求更高的可靠性。

除此之外，梳状的形成因为其复杂的动力学往往导致多个频率梳状态，因此梳状操作所需要的监控能力对 PIC 集成和部署造成了极大的困难。目前来说，在 PIC 平台上实现光频梳主要是根据泵浦方式的不同通过锁模半导体和非线性微腔来实现，并且非线性微腔技术在在并行度和相干性上有着更大的优势。

OFC 的 PIC 化后对于商业应用潜力巨大，例如晶片级的集成 OFC 技术的可以应用于现在的网络数据中心，PIC 上的光频梳源、光子器件和微电子元件的高度集成，将使得数据的传输和计算实现以前所未有的效率和复杂度 [2]。

对此，常林表示：“50 多年前，光纤的发明成功将当时广泛使用的玻璃纤维的损耗降低了一个数量级以上，从而让超远距离的光通信成为可能，并借此开启了互联网时代新纪元。而低损耗光学传输的赛道，也已延伸到芯片层面：光子芯片，这一被誉为‘超越摩尔定律’的下一代芯片的核心技术，也迎来了革命性的突破时刻。”

展示光子芯片的巨大潜力，对于下一代信息处理技术有着重大意义

但是现在已有的基于微腔 OFC 器件中，只有微腔部分可以实现 PIC 片上集成，而 OFC 的其余部分还需要大量的外围器件来实现，在很多性能参数上大大地降低了光频梳芯片化的优点，所以 OFC 器件完整性和高度系统集成对光频梳商业化是十分重要的。

近日，来自北京大学的王兴军教授课题组和美国加州大学圣芭芭拉分校电气与计算机工程与材料系的约翰· E ·鲍尔斯（John E. Bowers）教授课题组联合研究并且攻关三年，首次在硅基光电芯片上实现了基于微腔光频梳的集成系统，相关论文以《集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统》（Microcomb-driven silicon photonic systems）为题发表在 Nature 上 [3]。

图 | 相关论文（来源：Nature ）

该论文的共同一作分别为北京大学博士后舒浩文、现任北京大学助理教授的常林博士（独立 PI，已建立课题组）以及北京大学电子学院 17 级博士研究生陶源盛和 19 级博士研究生沈碧涛。

据介绍，此次担任共同作者的王兴军教授，同时也是北大电子学院副院长、副书记，兼任区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副主任等职务，长期从事硅基光电子学的基础理论、器件与芯片制备、以及系统应用等方面的研究。

图 | 王兴军（来源：资料图）

而本次成果展示了光子芯片这一新型半导体芯片的巨大潜力，对于下一代信息处理技术有着重大意义。

图 | 基于微腔光频梳的硅基光电子集成系统概念图，芯片通过集成激光微腔光频梳（来源：Nature ）

不同于传统的外围光泵浦器件，该研究突破了硅基并行光源的制造难题和基于硅基光电子芯片实现多路并行的硅基光源技术瓶颈，通过在铝镓砷化绝缘体（AlGaAsOI）平台 [4] 上实现室温条件下的暗孤子相干光频梳产生，该光频梳源是该集成芯片上并行光源的重要组成部分。

结合 AlGaAs 极高的三阶非线性系数，AlGaAsOI 微谐振器的参数振荡阈值降至数十微瓦，在几毫瓦水平下就可以产生相干梳态，其中泵浦源由商用化磷化铟（InP）的分布式反馈布拉格激光芯片提供低于 10mW 的激光泵浦功率。

而自由运行的 AlGaAs 暗脉冲的光谱功率与时间的关系图显示，该微腔光频梳源可以实现超过 7 小时的稳定工作。因为结构简单和高稳定性，AlGaAsOI 平台下的微腔光频梳易于集成在当前 PIC 光电系统中。

图 | 基于微腔暗脉冲光频梳的产生及频梳分布（来源：Nature）

另据悉，该联合团队通过数年积累的硅基光电子器件设计和制造工艺，借助硅基光电路上不同功能的高性能光电子器件，例如光电探测器、电光调制器、波分复用器、光滤波器、光延时线、耦合器等等，可以实现在片上的滤波、调制、多路复用、时延和检测等多项功能。

通过集成更多功能的光子器件，可实现基于微腔光频梳的更高水平 PIC 芯片

在此基础上，研究人员构建了两个通过微腔光频梳供源的集成光子学系统演示。一个是基于该系统集成的通信演示方案，通过集成系统中的微腔体光频梳源可为波分复用通信方案提供性能良好的并行载波，通过一个基于微腔光频梳的硅基光电收发器，可以支持四级脉冲振幅调制下高达 100Gbps 数据传输和 2Tbps 的总数据速率。

并且随着将来片上半导体激光器放大和密集波分复用等技术的快速发展，这种密集的波分复用方案可以在保持良好的可扩展性的同时大大提高聚合比特率。再加上光电子器件的性能优化以及更加复杂的调制方案，未来传输速率更是有望突破 10Tbps 的大容量数据传输，这对于新型数据中心和高性能计算等场景意义十分重大。

图 | 基于微腔光频梳的数据传输实验原理示意图及通信效果眼图（来源：Nature）

第二个该集成光子学系统在微波光子学领域上的应用，通过芯片多点延迟线处理方案实现一种微秒级的紧凑微波滤波器，其可调带宽和灵活的中心频率能够支持第五和第六代（5G/6G)、雷达和片上信号处理。

可重构的微波光子滤波器采用抽头延迟线进行构造，该系统在通带带宽和射频方面具有灵活的重构特性。与基于大体积液晶空间光调制器的传统载波器不同，该芯片中使用的微环谐振器阵列的一个显著优点是可以快速重新配置射频滤波响应。

通过放置在波导上的氮化钛微加热器，通过调整梳状线的整形轮廓，该团队实现了滤波谱的重构操作，重新配置操作的最快响应速度约为 19kHz。利用这种高集成度的系统，可以实现高频率的微波光子信号处理。

图 | 基于微腔光频梳的可重构微波光子滤波器工作原理示意图（来源：Nature）

基于这项研究成果，将来可通过集成更多功能的光子器件实现更高水平基于微腔光频梳的 PIC 芯片。例如，自注入锁定暗脉冲微腔光频梳源可通过使用非均匀集成的 III-V 激光器和微谐振器来单独实现。

而离散的掺铒光纤放大器可被片上的半导体放大器进行取代，从而更便捷地与其他光子器件进行集成。随着光电融合技术的发展，未来可以使集成光路与特定应用的电子电路进行结合，从而极大拓宽集成光学的应用范围。

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参考：

1、Fortier T , Baumann E . 20 years of developments in optical frequency comb technology and applications[J]. Communications Physics.

2、Chang L , Liu S , Bowers J E . Integrated optical frequency comb technologies[J]. Nature Photonics, 2022, 16.

3、Microcomb-driven silicon photonic systems. Nature 2022, 605.

4、Chang L, et. al. Ultra-efficient frequency comb generation in AlGaAs-on-insulator microresonators. Nature Communications 2020, 11.