北大團隊攻克一世界性難題,成果涉及光子集成芯片和微系統

2022年05月19日16:56

  澎湃新聞從北京大學獲悉,5月18日,北京大學王興軍教授課題組和加州大學聖芭芭拉分校John E. Bowers教授課題組在《自然》雜誌在線發表文章《Microcomb-driven silicon photonic systems》,在世界上首次報導了由集成微腔光梳驅動的新型矽基光電子片上集成系統,表明了研究團隊曆時3年協同攻關,終於攻克了這一世界性難題。

  研究團隊介紹,光梳,又叫光學頻率梳,因其用途廣泛,一直以來都是國際光學界的重要研究熱點。美國國家標準與技木研究院John Lewis Hall教授和德國馬普量子光學所的Theodor Hänsch教授因在光梳方面的傑出貢獻,獲得了2005年諾貝爾物理學獎。

  近年來,芯片級的光梳(微腔光梳)由於尺寸緊湊、成本低廉而極大拓展了應用範圍。然而,大部分基於微腔光梳的系統級應用中,僅有微腔本身為集成器件,其餘的組成部分(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勢,因此,集成光梳系統層面的集成對光頻梳技術的實用化和普及化具有重大意義。

  與此同時,近20年來,矽基光電子集成芯片技術(矽光)借助成熟的CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝,可大規模集成傳統光學系統所需的功能器件,極大提升片上信息傳輸和處理的速度和容量,可為下一代數據中心、通信系統、高性能計算、自動駕駛等領域帶來變革性突破。這是公認的現代信息系統的功能升級和產業佈局的核心技術,是世界光電子領域競爭的主陣地。

  目前,隨著應用市場的拓展和系統規模的大幅度提升,矽基光電子片上繫統架構正向多通道和高並行的架構演進,隨之而來的是日趨增長的對低成本和高穩定性並行光源的需求。然而,由於矽材料本身不發光,矽基激光器的實現一直是世界性難題,在矽基光電子芯片上研發出多路並行的矽基光源更被公認為是該領域最大的瓶頸之一。

  王興軍領導的研究團隊通過直接由半導體激光器泵浦集成微腔光頻梳,給矽基光電子集成芯片提供了所需的光源大腦,結合矽基光電子集成技術工業上成熟可靠的集成解決方案,完成大規模集成系統的高效並行化。利用這種高集成度的系統,實現T比特速率微通信和亞GHz微波光子信號處理,提出高密度多維複用的微通信和微處理芯片級集成系統的全新架構,開創了下一代多維矽光集成微系統子學科的發展。相關研究成果有望直接應用於數據中心、5/6G通信、自動駕駛、光計算等領域,為下一代片上光電子信息系統提供了全新的研究範式和發展方向。

集成微腔光梳驅動的矽基集成光電子片上繫統圖。  北京大學 圖
集成微腔光梳驅動的矽基集成光電子片上繫統圖。 北京大學 圖

  該項工作由北京大學電子學院區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室作為第一單位完成,也是北京大學和鵬城實驗室合作的重要成果,是鵬城實驗室電路與系統部重大攻關任務核心內容之一。

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