多年來，美國加州大學圣巴巴拉分校的John Bowers 教授一直致力于國防高級研究計劃局的直接芯片數(shù)字光學合成器（DODOS）項目。他與加州理工學院的Kerry Valhala 和瑞士聯(lián)邦理工學院的Tobias Kippenberg 團隊一起，開發(fā)了首個可商業(yè)化擴展的集成芯片半導(dǎo)體激光器和諧振器，能夠生產(chǎn)激光“微梳”（microcomb）。

　　由耦合激光器和諧振器產(chǎn)生的“微梳”是一系列等間距、低噪聲、高穩(wěn)定性的激光線，每一條線都能夠傳輸數(shù)據(jù)，通過這種方式可以提高大型集成電路的容量和效率。去年，團隊的研究人員在《科學》雜志上發(fā)表了題為《硅上非均勻集成的激光孤立子微梳》論文，系統(tǒng)闡述了研究成果。

　　現(xiàn)在將近一年后，《自然》雜志上的一篇論文《微梳驅(qū)動的硅光子系統(tǒng)》驗證了Bowers 教授先前對集成激光諧振器技術(shù)的研究。他說：“這篇論文將我們早期開發(fā)的集成梳狀技術(shù)與用于傳輸和接收超大容量數(shù)據(jù)流的PIC（光子集成電路）技術(shù)連接了起來。”

　　由北京大學的王興軍教授指導(dǎo)的兩位作者，加上Bowers 和他實驗室的研究人員，在論文中描述了“第一個基于集成芯片級微梳的光子數(shù)據(jù)鏈路”。Bowers 認為，這在光子學和電子學融合方面達成的一個里程碑。

　　Bowers 解釋說，一段時間以來，互聯(lián)網(wǎng)上的遠程數(shù)據(jù)傳輸都是通過光纖實現(xiàn)的，這使得能夠以極低的損耗和極低的功耗遠距離傳輸大量數(shù)據(jù)。以前，光電子和電子之間的接口一直在電路板的邊緣，但現(xiàn)在它可以在封裝內(nèi)。這是因為電子芯片收發(fā)數(shù)據(jù)量正在快速增長。當前最先進的芯片輸入輸出的數(shù)據(jù)量高達每秒51TB，是現(xiàn)代臺式計算機每秒10Gbps 的5000 倍。

　　Bowers 研究項目小組的研究員常林表示：“從高級交換芯片輸出的數(shù)據(jù)量是從計算機處理器輸出數(shù)據(jù)量的5000 倍。移動這么多數(shù)據(jù)的唯一方法是通過光學方式進行，因此光學元件位于交換機內(nèi)。”

　　他補充道，移動如此多的數(shù)據(jù)需要許多激光器，這是不現(xiàn)實的，因為激光器相對較大必須嚴格控制，或者需要一種不同的技術(shù)。激光微梳技術(shù)允許單個激光器通過微梳驅(qū)動數(shù)百個波長，每個波長都可以傳輸數(shù)據(jù)。這就是世界的發(fā)展方向。

　　Bowers 解釋道：“這個行業(yè)呈線性的發(fā)展趨勢，每個人都有計劃。當前，數(shù)據(jù)傳輸量是每秒3.2Tb、6.4Tb、12.5Tb 和 25.6Tb?，F(xiàn)在，我們實現(xiàn)了每秒51Tb 的數(shù)據(jù)傳輸。兩年后，我們將達到每秒102Tb。因此必須在兩年內(nèi)擁有兩倍的傳輸量，在四年內(nèi)擁有四倍的傳輸量。這就是為什么激光諧振器技術(shù)的可擴展性如此重要。”

　　近年來，芯片級的光梳（微腔光梳）由于尺寸緊湊、成本低廉而極大拓展了應(yīng)用范圍。然而，大部分基于微腔光梳的系統(tǒng)級應(yīng)用中，僅有微腔本身為集成器件，其余的組成部分（包括泵浦激光器、無源/有源處理器件、電路控制單元）均未實現(xiàn)集成，在成本、尺寸和功耗上極大地削弱了微腔光梳芯片化帶來的優(yōu)勢，因此，集成光梳系統(tǒng)層面的集成對光頻梳技術(shù)的實用化和普及化具有重大意義。

　　王興軍領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊通過直接由半導(dǎo)體激光器泵浦集成微腔光頻梳，給硅基光電子集成芯片提供了所需的光源大腦，結(jié)合硅基光電子集成技術(shù)工業(yè)上成熟可靠的集成解決方案，完成大規(guī)模集成系統(tǒng)的高效并行化。

　　利用這種高集成度的系統(tǒng)，實現(xiàn)T 比特速率微通信和亞GHz 微波光子信號處理，提出高密度多維復(fù)用的微通信和微處理芯片級集成系統(tǒng)的全新架構(gòu)，開創(chuàng)了下一代多維硅光集成微系統(tǒng)子學科的發(fā)展。相關(guān)研究成果有望直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、 5/6G 通信、自動駕駛、光計算等領(lǐng)域，為下一代片上光電子信息系統(tǒng)提供了全新的研究范式和發(fā)展方向。

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