2022年5月18日，北京大學(xué)王興軍教授課題組和加州大學(xué)圣芭芭拉分校John E. Bowers教授課題組在《自然》（Nature）雜志在線發(fā)表文章“Microcomb-driven silicon photonic systems”，在世界上首次報道了由集成微腔光梳驅(qū)動的新型硅基光電子片上集成系統(tǒng)，表明了研究團隊歷時3年協(xié)同攻關(guān)，終于攻克了這一世界性難題。

論文截圖

 

光梳，又叫光學(xué)頻率梳，因其用途廣泛，一直以來都是國際光學(xué)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(xué)所的Theodor Hänsch教授因在光梳方面的杰出貢獻，獲得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎。而近年來芯片級的光梳（微腔光梳）由于緊湊的尺寸和低廉的成本極大拓展了其應(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。

 

與此同時，近20年來，硅基光電子集成芯片技術(shù)（硅光）借助成熟的CMOS工藝，可大規(guī)模集成傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)、高性能計算、自動駕駛等領(lǐng)域帶來變革性突破，是公認的現(xiàn)代信息系統(tǒng)的功能升級和產(chǎn)業(yè)布局的核心技術(shù)，是世界光電子領(lǐng)域競爭的主陣地。目前，隨著應(yīng)用市場的拓展和系統(tǒng)規(guī)模的大幅度提升，硅基光電子片上系統(tǒng)架構(gòu)正向多通道和高并行的架構(gòu)演進，隨之而來的便是日趨增長的對低成本和高穩(wěn)定性并行光源的需求。然而，由于硅材料本身不發(fā)光，硅基激光器的實現(xiàn)一直是世界性難題，在硅基光電子芯片上研發(fā)出多路并行的硅基光源更被公認為是該領(lǐng)域最大的瓶頸之一。

 

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(xué)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。

集成微腔光梳驅(qū)動的硅基集成光電子片上系統(tǒng)圖

 

該論文的共同第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院博新計劃博士后舒浩文，加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校常林博士（目前已任職于北京大學(xué)電子學(xué)院，任助理教授、研究員，獨立PI并組建課題組），北京大學(xué)電子學(xué)院2017級博士研究生陶源盛、2019級博士研究生沈碧濤。王興軍和John E. Bowers為論文的共同通訊作者。鵬城實驗室余少華院士參與本工作并給予了重要指導(dǎo)。主要合作者還包括加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校謝衛(wèi)強博士（現(xiàn)為上海交通大學(xué)副教授）、博士研究生Andrew Netherton，北京大學(xué)電子學(xué)院博士研究生金明、陶子涵、張緒光以及博士后陳睿軒、白博文、秦軍（現(xiàn)為北京信息科技大學(xué)副教授）。該工作由北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室作為第一單位完成，也是和鵬城實驗室合作的重要成果，是鵬城實驗室電路與系統(tǒng)部重大攻關(guān)任務(wù)核心內(nèi)容之一。