基于集成高相干并行光源的系統

近日，北京大學電子學院常林研究員團隊與王興軍教授團隊和合作者在Nature Communications雜志在線發表了題為“High-coherence parallelization in integrated photonics”的研究文章。該研究展示了一種新型低成本、高相干的集成并行源產生方案。通過結合自注入鎖定光頻梳和注入鎖定激光器陣列，實現了在近零噪聲系數下創紀錄的片上60dB增益。此外，通過將這一技術與硅光相干光模塊結合，實現了超過60Tbit/s的總傳輸速率，并將相位相關的數字信號處理(DSP)開銷降低了99.99999%。這項研究為實現大規模、高性能、大容量的相干光系統鋪平了道路，有望解決由于流量需求爆炸式增長帶來的芯片間和數據中心間互聯問題，為未來光通信網絡的發展帶來了新的希望。

由于能夠同時操控光的幅度和相位，相干光學在過去十幾年中成為集成光學的重要發展趨勢之一，為光通信、傳感、量子信息等各種應用帶來了無限的可能。然而，傳統方案在集成光學中構建相干系統需要在硬件和功耗方面付出巨大的代價，其中一個核心難題是光源。迄今為止，還沒有一種方法能同時實現高并行性、高相干性和高功率的集成光源。雖然III-V族DFB激光器因其優異的輸出功率和電光轉換效率(WPE)而被廣泛使用，但其本征線寬通常在100kHz水平，難以滿足眾多應用中的相干性要求。為了提高相干性，通常將III-V族激光器與高品質因子微腔結合，以有效降低線寬至1kHz以下并產生光頻梳。然而，這種方法犧牲了功率和每個通道的WPE。近年來發展的微腔光頻梳技術可以實現單個器件的多波長產生，但其每個通道的功率通常低于-10dBm。因此，系統中通常需要增益超過30dB的放大，這對集成式摻鉺光纖放大器和半導體光放大器提出了挑戰，并且這兩種方法都會不可避免地引入額外的噪聲。

集成相干系統面臨的另一個挑戰是巨大的DSP開銷。相較于強調直檢的光通信系統，相干檢測需要更復雜的DSP來精確恢復頻率和相位信息，這顯著增加了功耗預算，因此通常需要用特殊的芯片進行處理。為了在下一代數據中心部署先進的相干通信系統，DSP芯片必須采用3nm制程的CMOS工藝以降低功耗。此外，復雜的DSP也使得實時數據處理變得更加困難。雖然諸如激光同步等方法已被提出用于減少對DSP的需求，但這些方法往往需要體積較大的窄線寬光源和鎖相環技術，從而顯著增加了系統的硬件負擔。

在這項工作中，研究人員展示了一種以低成本在集成光學中實現高相干并行化光源的方法，從而克服了上述挑戰。不同于提高相干光源本身的效率，該技術將高相干自注入鎖定光頻梳作為種子光，對DFB激光器進行注入鎖定。經過理論計算和實驗證明，這種方法有效結合了微腔光頻梳和DFB激光器兩者的優點，同時實現了高相干、高功率和高WPE的光源產生。此外，研究人員還利用硅光收發機演示了并行相干傳輸實驗，證實了這一策略可以顯著提升集成相干光通信系統的性能，達到了超過60Tbit/s的總數據傳輸速率，并有效減輕了相干DSP的開銷。這種新型集成高相干并行光源方案將推動相干光通信系統的發展，為光互連和數據中心的相干下沉提供巨大潛力。

審核編輯 黃宇