北京大学王兴军教授课题组和加州大学圣芭芭拉分校John E. Bowers教授课题组在集成光电子片上系统研究方面取得重要进展。相关研究成果以“微腔光梳驱动的硅基光电子系统”（Microcomb-driven silicon photonic systems）为题，于2022年5月18日在线发表于《自然》（Nature）杂志。

光梳，又叫光学频率梳，因其用途广泛，一直以来都是国际光学界的重要研究热点。美国国家标准与技木研究院John Lewis Hall教授和德国马普量子光学所的Theodor H?nsch教授因在光梳方面的杰出贡献，获得了2005年诺贝尔物理学奖。而近年来芯片级的光梳（微腔光梳）由于紧凑的尺寸和低廉的成本极大拓展了其应用范围。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。

与此同时，近20年来，硅基光电子集成芯片技术（硅光）借助成熟的CMOS工艺，可大规模集成传统光学系统所需的功能器件，极大提升片上信息传输和处理的速度和容量，可为下一代数据中心、通信系统、高性能计算、自动驾驶等领域带来变革性突破，是公认的现代信息系统的功能升级和产业布局的核心技术，是世界光电子领域竞争的主阵地。目前，随着应用市场的拓展和系统规模的大幅度提升，硅基光电子片上系统架构正向多通道和高并行的架构演进，随之而来的便是日趋增长的对低成本和高稳定性并行光源的需求。然而，由于硅材料本身不发光，硅基激光器的实现一直是世界性难题，在硅基光电子芯片上研发出多路并行的硅基光源更被公认为是该领域最大的瓶颈之一。

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。

图1. 集成微腔光梳驱动的硅基集成光电子片上系统图。

作为集成系统并行光源的重要组成部分，研究团队首次报道了在AlGaAsOI平台上的室温下暗孤子相干光梳产生，其激光泵浦功率低于10 mW，可实现该光梳光源的片上泵浦和启钥式开关（图2c,d）。同时，铝镓砷材料的高非线性和高热光效应使得其在正常工作下状态具有较长的暗孤子存在频率范围(>10GHz)，因此具有极佳的工作稳定性（图2e）。上述特性使得研究团队在不借助大型外部反馈设备的情况下实现稳定高效的相干光梳产生，为高集成度的系统应用。

图2. (a) 泵浦激光器芯片(左)与微腔芯片(右)显微镜照片；(b) 光梳产生的频率范围测试图；(c) 外腔激光器模块；(d) DFB激光器芯片泵浦光梳产生及启钥开关测试结果；(e) 光梳长时稳定性示意图。

为配合微腔光梳实现大规模片上数据传输与灵活的信号处理，研究团队基于硅基器件设计制备基础，在片上实现了通信波段内从信号加载、传输到接收的成套高性能有源/无源器件，包括电光调制器、光电探测器、波分复用器、光滤波器、光延时线、光分束器、耦合器等。以这些核心功能器件为基础，研究团队分别针对大容量数据传输和微波光子信号处理两类目前被广泛研究的光电系统，进行了原型机的设计和验证。

在集成数据通信系统中，微腔光梳光源可作为波分复用信号传输方案的并行载波，实现多通道大容量的数据传输。研究团队结合铝镓砷微腔光梳与硅基电光-光电转换器件，在C波段内搭建了20载波的高集成度数据链路。面向数据中心通信应用，成功实现了2km内单通道100Gbps，总速率2Tbps的PAM4信号传输，采用商用测试系统表征误码率均低于SD-FEC门限。未来配合光梳蒸馏，片上半导体放大等技术提升光源信噪比和功率，同时配合电光-光电转换器件的带宽优化，空分复用技术和高阶调制方案，有望实现十万亿比特每秒以上(>10Tbps)的大容量数据传输，这对下一代数据中心互联、高性能计算等场景大有裨益。

图3. (a) 光梳型硅基数据链路实验示意图；(b) C波段通道内放大后载波梳齿；(c) 参考激光和任意四个通道的PAM4数据接收眼图； (d) 不同速率下误码率测试曲线；(e) 商用器件与集成器件误码率对比。

光梳梳齿等频率间隔的特性使得其在作为系统多波长光源之外，也可以提供灵活的信号处理方案。研究团队将光梳梳齿作为有限冲击响应滤波系统的抽头，利用硅基芯片实现后续模拟信号加载，抽头系数加载及通道延时，实现了可重构的集成微波光子滤波器。通过对滤波器抽头相应通道的微环滤波器进行热光调谐，可实现灵活的滤波通带带宽和中心波长的灵活调节。同时，片上系统对实际微波信号的滤波能力也得到了有效验证，结果显示带宽调节精度可达亚GHz，同时对噪声信号可实现接近20dB的抑制，验证了其灵活高效的信号处理能力。该系统架构有望扩展至信道化、任意波形产生及瞬时测频等多个微波光子系统应用，有效拓展系统处理带宽，提高调谐能力，同时在5/6G信号处理，雷达侦测等领域发挥重要作用。

图4. (a) 光梳型微波光子滤波实验示意图；(b) 梳齿高斯整形结果；(c) 高斯型带通滤波波形；(d) 宽谱微波信号滤波结果；(e)部分梳齿抑制结果；(f) 滤波通带周期变化；(g) 实际信号滤波结果。

该论文的共同第一作者为北京大学电子学院博新计划博士后舒浩文、加州大学圣塔巴巴拉分校常林博士（目前已任职于北京大学电子学院，任助理教授、研究员，独立PI并组建课题组）、北京大学电子学院2017级博士研究生陶源盛、2019级博士研究生沈碧涛。王兴军和John E. Bowers为论文的共同通讯作者。鹏城实验室余少华院士参与本工作并给予了重要指导。主要合作者还包括加州大学圣塔巴巴拉分校谢卫强博士（现为上海交通大学副教授）、博士研究生Andrew Netherton，北京大学电子学院博士研究生金明、陶子涵、张绪光以及博士后陈睿轩、白博文、秦军（现为北京信息科技大学副教授）。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，也是和鹏城实验室合作的重要成果，是鹏城实验室电路与系统部重大攻关任务核心内容之一。

来源：半导体学报