北大电子学院常林团队与王兴军团队提出新型集成光芯片高相干并行方案

2024年9月10日，电子学院常林研究员团队与王兴军教授团队和合作者在Nature Communications杂志在线发表了题为“High-coherence parallelization in integrated photonics”的研究文章。该研究展示了一种新型低成本、高相干的集成并行源产生方案。通过结合自注入锁定光频梳和注入锁定激光器阵列，实现了在近零噪声系数下创纪录的片上60 dB增益。此外，通过将这一技术与硅光相干光模块结合，实现了超过60 Tbit/s的总传输速率，并将相位相关的数字信号处理(DSP)开销降低了99.99999%。这项研究为实现大规模、高性能、大容量的相干光系统铺平了道路，有望解决由于流量需求爆炸式增长带来的芯片间和数据中心间互联问题，为未来光通信网络的发展带来了新的希望。

由于能够同时操控光的幅度和相位，相干光学在过去十几年中成为集成光学的重要发展趋势之一，为光通信、传感、量子信息等各种应用带来了无限的可能。然而，传统方案在集成光学中构建相干系统需要在硬件和功耗方面付出巨大的代价，其中一个核心难题是光源。迄今为止，还没有一种方法能同时实现高并行性、高相干性和高功率的集成光源。虽然III-V族DFB激光器因其优异的输出功率和电光转换效率(WPE)而被广泛使用，但其本征线宽通常在100 kHz水平，难以满足众多应用中的相干性要求。为了提高相干性，通常将III-V族激光器与高品质因子微腔结合，以有效降低线宽至1 kHz以下并产生光频梳。然而，这种方法牺牲了功率和每个通道的WPE。近年来发展的微腔光频梳技术可以实现单个器件的多波长产生，但其每个通道的功率通常低于-10 dBm。因此，系统中通常需要增益超过30 dB的放大，这对集成式掺铒光纤放大器和半导体光放大器提出了挑战，并且这两种方法都会不可避免地引入额外的噪声。

集成相干系统面临的另一个挑战是巨大的DSP开销。相较于强调直检的光通信系统，相干检测需要更复杂的DSP来精确恢复频率和相位信息，这显著增加了功耗预算，因此通常需要专用的芯片进行处理。为了在下一代数据中心部署先进的相干通信系统，DSP芯片必须采用3 nm制程的CMOS工艺以降低功耗。此外，复杂的DSP也使得实时数据处理变得更加困难。虽然诸如激光同步等方法已被提出用于减少对DSP的需求，但这些方法往往需要体积较大的窄线宽光源和锁相环技术，从而显著增加了系统的硬件负担。

基于集成高相干并行光源的系统

在这项工作中，研究人员展示了一种以低成本在集成光学中实现高相干并行化光源的方法，从而克服了上述挑战。不同于提高相干光源本身的效率，该技术将高相干自注入锁定光频梳作为种子光，对DFB激光器进行注入锁定。经过理论计算和实验证明，这种方法有效结合了微腔光频梳和DFB激光器两者的优点，成功同时实现了高相干、高功率和高WPE的光源产生。此外，研究人员还利用硅光收发机演示了并行相干传输实验，证实了这一策略可以显著提升集成相干光通信系统的性能，达到了超过60 Tbit/s的总数据传输速率，并有效减轻了相干DSP的开销。这种新型集成高相干并行光源方案将推动相干光通信系统的发展，为光互连和数据中心的相干下沉提供巨大潜力。

该论文的共同第一作者为北京大学电子学院博士研究生张绪光、周子璇和郭艺君。北京大学电子学院常林研究员、王兴军教授和加州大学圣巴巴拉分校John E. Bowers教授为论文的共同通讯作者。主要合作者还包括北京大学电子学院舒浩文研究员，胡薇薇教授，博士后沈碧涛、陈睿轩，博士研究生庄敏学、陈玉君、黄佳辉、陶子涵，博士毕业生金明，北京大学长三角光电科学研究院助理研究员葛张峰，加州大学圣巴巴拉分校Warren Jin博士，SiFotonics Technologies公司的方舟、张宁、刘亚东、蔡鹏飞、潘栋。该工作由北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室作为第一单位完成。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52269-7