北京大學(xué)在集成光學(xué)相關(guān)研究取得進(jìn)展

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，通過將這一技術(shù)與硅光相干光模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超過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帶來的芯片間和數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)問題，為未來光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來了新的希望。 &/8B(0<  
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由于能夠同時(shí)操控光的幅度和相位，相干光學(xué)在過去十幾年中成為集成光學(xué)的重要發(fā)展趨勢之一，為光通信、傳感、量子信息等各種應(yīng)用帶來了無限的可能。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30dB的放大，這對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。 9gac7(2`)  
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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)，相干檢測需要更復(fù)雜的DSP來精確恢復(fù)頻率和相位信息，這顯著增加了功耗預(yù)算，因此通常需要專用的芯片進(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)。 @nOuFX4