基于集成高相干并行光源的系統(tǒng)

近日，北京大學(xué)電子學(xué)院常林研究員團(tuán)隊(duì)與王興軍教授團(tuán)隊(duì)和合作者在Nature Communications雜志在線發(fā)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(chǎn)生方案。通過(guò)結(jié)合自注入鎖定光頻梳和注入鎖定激光器陣列，實(shí)現(xiàn)了在近零噪聲系數(shù)下創(chuàng)紀(jì)錄的片上60dB增益。此外，通過(guò)將這一技術(shù)與硅光相干光模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)60Tbit/s的總傳輸速率，并將相位相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)開銷降低了99.99999%。這項(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高性能、大容量的相干光系統(tǒng)鋪平了道路，有望解決由于流量需求爆炸式增長(zhǎng)帶來(lái)的芯片間和數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)問(wèn)題，為未來(lái)光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來(lái)了新的希望。

由于能夠同時(shí)操控光的幅度和相位，相干光學(xué)在過(guò)去十幾年中成為集成光學(xué)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，為光通信、傳感、量子信息等各種應(yīng)用帶來(lái)了無(wú)限的可能。然而，傳統(tǒng)方案在集成光學(xué)中構(gòu)建相干系統(tǒng)需要在硬件和功耗方面付出巨大的代價(jià)，其中一個(gè)核心難題是光源。迄今為止，還沒(méi)有一種方法能同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(yōu)異的輸出功率和電光轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhì)因子微腔結(jié)合，以有效降低線寬至1kHz以下并產(chǎn)生光頻梳。然而，這種方法犧牲了功率和每個(gè)通道的WPE。近年來(lái)發(fā)展的微腔光頻梳技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)器件的多波長(zhǎng)產(chǎn)生，但其每個(gè)通道的功率通常低于-10dBm。因此，系統(tǒng)中通常需要增益超過(guò)30dB的放大，這對(duì)集成式摻鉺光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器提出了挑戰(zhàn)，并且這兩種方法都會(huì)不可避免地引入額外的噪聲。

集成相干系統(tǒng)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是巨大的DSP開銷。相較于強(qiáng)調(diào)直檢的光通信系統(tǒng)，相干檢測(cè)需要更復(fù)雜的DSP來(lái)精確恢復(fù)頻率和相位信息，這顯著增加了功耗預(yù)算，因此通常需要用特殊的芯片進(jìn)行處理。為了在下一代數(shù)據(jù)中心部署先進(jìn)的相干通信系統(tǒng)，DSP芯片必須采用3nm制程的CMOS工藝以降低功耗。此外，復(fù)雜的DSP也使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(duì)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(huán)技術(shù)，從而顯著增加了系統(tǒng)的硬件負(fù)擔(dān)。

在這項(xiàng)工作中，研究人員展示了一種以低成本在集成光學(xué)中實(shí)現(xiàn)高相干并行化光源的方法，從而克服了上述挑戰(zhàn)。不同于提高相干光源本身的效率，該技術(shù)將高相干自注入鎖定光頻梳作為種子光，對(duì)DFB激光器進(jìn)行注入鎖定。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，這種方法有效結(jié)合了微腔光頻梳和DFB激光器兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高相干、高功率和高WPE的光源產(chǎn)生。此外，研究人員還利用硅光收發(fā)機(jī)演示了并行相干傳輸實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了這一策略可以顯著提升集成相干光通信系統(tǒng)的性能，達(dá)到了超過(guò)60Tbit/s的總數(shù)據(jù)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(dòng)相干光通信系統(tǒng)的發(fā)展，為光互連和數(shù)據(jù)中心的相干下沉提供巨大潛力。

審核編輯 黃宇